Механізм просторових зсувів порід у приконтурному масиві протяжної підготовчої виробки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

МІНІСТЕРСТВО ВУГІЛЬНОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ

ВІДДІЛЕННЯ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИХ ГІРНИЧИХ ПРОБЛЕМ ДОНЕЦЬКОГО ФІЗИКО-ТЕХНІЧНОГО ІНСТИТУТУ ІМ. О.О. ГАЛКІНА

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

МЕХАНIЗМ ПРОСТОРОВИХ ЗСУВІВ ПОРІД У ПРИКОНТУРНОМУ МАСИВІ ПРОТЯЖНОЇ ПІДГОТОВЧОЇ ВИРОБКИ

Сажнєв Вячеслав Петрович

Донецьк - 2000

Анотація

Сажнєв В.П. Механізм просторових зсувів порід в приконтурному масиві протяжної підготовчої виробки. Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук по спеціальності 05.15.11. - фізичні процеси гірничого виробництва. - Відділення фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ ім. О.О.Галкіна НАНУ та Мінвуглепрому України, Донецьк, 2000.

Дисертація присвячена питанням забезпечення стійкості протяжних підготовчих виробок на основі встановлення і використання просторового характеру зсування порідних блоків в приконтурному масиві. У роботі розвивається новий напрям в управлінні станом уміщуючих виробку порід, засноване на обмеженні просторових мір рухливості суміжних дільниць приконтурного масиву. Запропонований і обгрунтований результатами фізичного моделювання і натурного експерименту новий принцип обмеження просторової рухливості суміжних порідних блоків приконтурного масиву за допомогою спеціальної орієнтації порідних болтів (анкерів). Розроблений спосіб забезпечення стійкості протяжних підготовчих виробок в динамічній зоні опорного тиску за допомогою просторової орієнтації стояків посилення. Запропоновані способи пройшли успішну промислову перевірку.

Ключові слова: протяжна підготовча виробка, просторові зсування, моделювання.

приконтурний масив виробка порідний

Annotation

Sazhnev V.P. Mechanism of three-dimensional rock displacement in vicinity of a long underground roadway. Manuscript.

Candidate dissertation thesis on specialty 05.15.11 - physical process in mining. - Department of Physic-Technical mining problems DonPTI, Ukrainian National Academy of sciences, Donetsk, 2000.

Dissertation is devoted to problems of a support of a long roadway stability. The essence consists in finding and use of a space character of moving rock-blocks near to an roadway outline. The new direction in control of a rock behavior in a neighborhood roadway develops in this dissertation. It basis on limitation of space degrees of mobility of adjacent sites rock-blocks mass near to an roadway outline. The new principle of limitation of space mobility adjacent rock-blocks near to an outline with the help of special anchors orientation is offered. It is justified by outcomes of physical simulation and mining experiment. The way of a support of a long roadway stability in a dynamic zone of abutment pressure is developed with the help of space holding legs orientation. The ways which are offered are checked successfully in mines.

Key words: length roadway, three-dimensional, displacement, simulation.

Аннотация

Сажнев В.П. Механизм пространственных сдвижений пород в приконтурном массиве протяженной подготовительной выработки. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11. - физические процессы горного производства. - Отделение физико-технических горных проблем ДонФТИ им. А.А. Галкина НАНУ и Минуглепрома Украины, Донецк, 2000.

Диссертация посвящена вопросам обеспечения устойчивости протяженных подготовительных выработок (ППВ) на основе установления и использования пространственного характера сдвижения породных блоков в приконтурном массиве. Не смотря на достигнутый прогресс в понимании процесса разрушения вокруг подготовительных выработок и формирования зоны неупругих деформаций, состояние таких выработок остается неудовлетворительным. В настоящее время существующие представления о сдвижении вмещающих протяженную подготовительную выработку (ППВ) пород исходят из того, что все ее поперечные сечения равноценны и при однородном поле напряжений испытывают плоскую деформацию. Наблюдения автора данной диссертации показали, что допущение о плоской деформации в указанных условиях приводит к недооценке резервов устойчивости выработки.

В диссертационной работе решены следующие задачи исследований: изучена кинематика и динамика сдвижений вмещающих выработку пород с учетом механизма их пространственного саморасклинивания как в поперечном сечении, так и вдоль ее оси на численной (компьютерной) и физических моделях; изучен пространственный механизм деформации протяженной подготовительной выработки с помощью натурных инструментальных наблюдений; установлены причины значительной разности в смещениях на соседних сечениях выработки; разработаны новые и усовершенствованы существующие способы и средства повышения устойчивости подготовительных выработок, путем активного применения пространственного эффекта саморасклинивания вмещающих выработку пород с проведением их промышленной проверки и внедрения.

Полученные в диссертации новые научно обоснованные экспериментальные результаты, заключаются в установлении особенностей механизма пространственного сдвижения породных блоков в приконтурном массиве протяженной подготовительной выработки. Это имеет существенное значение для обеспечения устойчивости горных выработок, так как при неизменных затратах максимально используется резерв существующих способов крепления с учетом пространственного саморасклинивания сдвигающихся в полость выработки пород.

Научное значение работы состоит в установлении существенной особенности механизма пространственных сдвижений блоков пород в приконтурном массиве протяженной подготовительной выработки и заключается в управлении состоянием протяженной подготовительной выработки путем провоцирования и регулирования пространственного эффекта саморасклинивания вмещающих выработку пород.

Практическое значение результатов диссертации заключаются в разработке паспорта крепления породными болтами, при котором установку породных болтов осуществляют под пространственным углом и разработке способа обеспечения устойчивости ППВ в динамической зоне опорного давления с помощью пространственной ориентации стоек усиления.

Достоверность и обоснованность результатов исследований подтверждается достаточным количеством проведенных экспериментов и измерений, которые показали точность измерений смещений пород в шахтных условиях ±26% при доверительном интервале 95, а на физических моделях - 0,032 м (в пересчете на натуру); достаточной точностью измерительных инструментов; корректной постановкой и обоснованной программой проведения экспериментов, а также положительными результатами промышленной проверки.

Ключевые слова: протяженная подготовительная выработка, пространственные сдвижения, моделирование.

1. Актуальність теми дисертації

Більшість існуючих способів підтримки виробок орієнтовані на вдосконалення кріплення за рахунок збільшення його опору і підвищення несучої спроможності. Проблема забезпечення несучої спроможності системи «кріплення - навколишні породи» давно розглядається в різних наукових трудах і роботах. Незважаючи на це, досить переконливого фізичного тлумачення несуча спроможність уміщуючих порід не має досі. В цілому в наукових дослідженнях і роботах використовуються теорії гірського тиску, методи механіки суцільної або дискретної серед, які при всій своїй значущості і актуальності не в стані виділити в явному вигляді ефект самопідтримання порід. Більшість фахівців, намагаючись використати несучу спроможність уміщуючих порід, засновувалися на механізмі реалізації дограничної і залишкової міцності масиву. Як показав огляд даних досліджень, ці спроби виявляються не завжди успішними, що свідчить про неповноту знання і дослідження цього механізму.

Останнім часом розвивається науковий напрям управління ефектом саморозклинювання уміщуючих виробку порід і доведено його позитивний вплив на стійкість підготовчих виробок. Однак, вказаний ефект вивчений в першому наближенні, причому його дія розглядається виключно в перерізі, перпендикулярному осі підготовчої виробки. Враховуючи те, що саморозклинювання уміщуючих порід здібне збільшити стійкість підготовчої виробки на 40_70%, розкриття закономірностей просторового вияву цього механізму дає можливість надання істотного додаткового ефекту.

Зв'язок дисертації з планами наукової роботи.

Виконана робота є складовою частиною наукових досліджень, що традиційно виконуються в Донецькому державному технічному університеті по тематиці забезпечення стійкості підготовчих виробок (тема Г38_92 № держреєстрації 0193U007494 і тема Г6_98 № держреєстрації 0198U002310).

Метою роботи є підвищення стійкості протяжних підготовчих виробок (ППВ) на основі встановлення і використання просторового характеру зсування уміщуючих порід.

Ідея роботи складається в управлінні станом протяжної підготовчої виробки шляхом створення і регулювання просторового ефекту саморозклинювання уміщуючих виробку порід.

Наукова новизна результатів дисертації складається в наступному:

Вперше експериментально встановлений просторовий характер зсувів порід, що уміщують протяжну підготовчу виробку (ППВ), який полягає в тому, що прагнучи зміщатися по шляху найменшого опору, породи зсуваються як в площині поперечного перерізу виробки, так і вздовж осі виробки. Зсування порід вздовж осі ППВ, будучи на порядок або два меншими, забезпечують сумірний внесок в формування напруженого стану навколишнього масиву порід і у виникнення або зникнення ефекту саморозклинювання.

Експериментально встановлена особливість деформації ППВ вздовж її осі по мірі наближення очисного вибою лави, відмінна чергуванням дільниць відносного стиснення і розтягнення виробки з переважанням останнього, що пояснюється яскраво вираженим безповоротним характером накопичення пошкодження, оскільки зазнав розтягнення, дільниця не може стиснутися до початкового рівня, внаслідок чого нагромаджується розтягнення вздовж осі. Вказана закономірність збільшує можливість рухливості окремих блоків порід і вияви просторового ефекту зсування.

Експериментально встановлений почерговий характер опускання суміжних (на відстані 1 м) порідних блоків покрівлі, відмінний тим, що як вздовж осі ППВ, так і в поперечному її перерізі один з блоків прискорює своє зрушення, а суміжний через 5_20 діб (при середній швидкості посування очисного вибою 2,6 м/добу) наздоганяє його.

Обгрунтований новий геомеханічний принцип управління стійкістю покрівлі ППВ, заснований на обмеженні просторових мір свободи (рухливості) суміжних дільниць масиву, що навколо виробки. Експериментально встановлене, що забезпечення просторової жорсткості за допомогою спеціальної орієнтації порідних болтів (анкерів) і/або стояків посилення зменшує імовірність нерівномірного зсування покрівлі і на 40% величину її опускання.

Обгрунтованість і вірогідність основних результатів роботи.

Вірогідність і обгрунтованість результатів досліджень підтверджується достатньою кількістю проведених експериментів і вимірювань, які показали точність вимірювань зсувань порід в шахтних умовах ±26% при довірчому інтервалі 95, а на фізичних моделях - 0,032 м (в перерахунку на натуру); достатньою точністю вимірювальних інструментів (нівелювання з точністю 1,5 мм, вимірювання зсувань на фізичній моделі 0,05 мм); коректною постановкою експериментів, при якій довжина експериментальної дільниці приймалася в 2,5_5 разів більше ширини виробки; проводилося докладне вивчення гірничо-геологічних умов експериментальної дільниці - структура, шаруватість, обводнення; постійністю фізико-механічних властивостей протягом всієї дільниці, на основі чого було доведено, що черговість і неоднорідність зсувань і їх просторовість зумовлені не різницею властивостей на суміжних дільницях, а природою просторового механізму зсування; забезпеченням обгрунтованої програми проведення експерименту (необхідна частота вимірів; усунена систематична помилка вимірювань).

Вірогідність і ефективність розроблених заходів підтверджується позитивними результатами промислової перевірки.

Практичне значення отриманих результатів складається в наступному:

Розроблений паспорт кріплення порідними болтами, при якому установку порідних болтів здійснюють під кутом рівним 5-40⁰ по відношенню до напряму зсування порід, причому нахил болта здійснюють в площині, що не співпадає з площиною поперечного перерізу вироблення і що відхиляється від неї на кут рівний 5 - 90⁰.

Розроблений спосіб забезпечення стійкості ППВ в динамічній зоні опорного тиску за допомогою просторової орієнтації стояків посилення. При цьому в зоні активного опорного динамічного тиску вимірюють вектор відносних зсувань покрівлі по схилу, а стояки встановлюють з нахилом назустріч напряму цього вектора. Кут нахилу пропорційний величині відхилення вектора відносного зсування покрівлі вздовж осі виробки.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи здійснена на шахті «Південно-Донбаська №1» при забезпеченні стійкості воздухоподаючого хідника 23-ї західної лави пласта с₁₁ в зоні інтенсивного впливу очисного вибою. Фактичний економічний ефект від впровадження нового способу установки анкерного кріплення становив 183 гривни на погонний метр. Річний економічний ефект від реалізації нового кріплення посилення становить 65 тисяч гривень.

Випробування результатів дисертації проведене на Міжнародній конференції по механіці гірських порід (Нью-Йорк, США, 29 червня - 2 липня 1997); Міжнародної конференції «Шахтне планування і вибір обладнання & Економічні проблеми» (Дніпропетровськ, Україна, 15 - 18 червня 1999); на трьох щорічних наукових конференціях випускників гірничого факультету ДонДТУ по розгляду закінчених науково-дослідних робіт. Крім того, окремі частини роботи докладалися на науково-технічних нарадах ДХК Павлоградвугілля, а також шахт Південно_Донбаська №1 і Дзержинська.

Публікації основних положень дисертації здійснені в 7-ми наукових статтях і 1-ому патенті України.

Структура роботи: дисертація містить вступ, 5 розділів і висновок. Викладена в рукопису на 117 стор. тексту і містить 72 рисунка на 71 стор., а також список використаних джерел із 114 найменувань та 2 додатка.

Автор висловлює вдячність співробітникам НІЛ «Комп'ютерного і фізичного моделювання безповоротних процесів» ДонДТУ, всім співавторам наукових статей за допомогу і консультації при проведенні досліджень, а також рецензентам роботи від ДонДТУ Грищенкову М.М., Касьяну М.М. та Гавришу М.М. за цінні поради по обгрунтуванню наукових положень і оформленню дисертації.

2. Основний зміст роботи

Проблемою забезпечення стійкості підготовчих виробок біля сорока років займаються більшість дослідницьких інститутів України, країн СНД і далекого зарубіжжя. Вироблений в розділі 1 (Аналіз літератури по темі і вибір напрямів досліджень) аналіз виконаних раніше досліджень показав, що вивчення просторової кінематики і динаміки зсувань порід навколо підготовчої виробки практично не проводилося. Відомі механізми руйнування і зсування порід навколо підготовчої виробки базуються, як правило, на детермінованих принципах механіки. При розгляді процесів в протяжних виробках дослідники розглядають лише їх поперечний переріз, засновуючись на припущенні ідентичності його деформації на будь-якій дільниці виробки. Кінцевим результатом в більшості робіт є визначення розмірів і положення зони руйнування в деякому перерізі виробки. Особливості і механізми зсування окремих блоків порід, що руйнуються або окремих точок уміщуючого масиву в просторі, не досліджувалися.

Важливим кроком в розвитку розуміння механізму деформування порід стало встановлення ефекту черговості і вибірності зсування блоків зруйнованих порід в порожнину гірничої виробки. Автори показали, що в процесі радіального переміщення в порожнину виробки, зруйновані породи контуру стискуються, саморозклинюючись під дією зони непружних деформацій, що зростає і розущільнюється. У результаті розклинюючий ефект в зоні стиснення перешкоджає подальшій конвергенції контуру виробки. Суттєвість відкритого ефекту саморозклинювання полягає в тому, що блоки зруйнованих порід, що переміщаються вимушені зближуватися, утворюючи в тангенціальному напрямі саморозклинену область, яка часто оточена сегментами стислих порід, що виконують ту ж функцію. Автори проводили дослідження в площині перерізу виробки і не приділили уваги неоднорідності і неоднаковості зсування порід вздовж осі протяжної виробки, що обмежило область застосування відкритого ефекту.

Проведений аналіз намітив наступні напрями досліджень:

дослідити кінематику і динаміку зсувань уміщуючих виробки порід з урахуванням механізму їх просторового саморозклинювання як в поперечному перерізі, так і вздовж її осі на чисельних (комп'ютерних) і фізичних моделях;

вивчити просторовий механізм деформації протяжної підготовчої виробки за допомогою натурних інструментальних спостережень;

встановити причини значної різниці в зсуваннях на сусідніх перерізах виробки;

розробити нові і вдосконалити існуючі способи і засоби підвищення стійкості підготовчих виробок шляхом активного застосування просторового ефекту саморозклинювання уміщуючих виробки порід з проведенням їх промислової перевірки і впровадження.

Механізм просторових зсувань порідних блоків в приконтурному масиві ППВ вивчався на чисельних і фізичних моделях, а також інструментальними спостереженнями в натурних умовах. У розділі 2 (Математичне моделювання просторових зсувань порід що уміщують протяжну підготовчу виробку), методом розривних переміщень був отриманий розподіл всіх компонент зсування на контурі одиночної ППВ прямокутного перерізу (розміри по довжині, ширині і висоті _ 32 м, 5 м і 2 м), який згодом використовувався для порівняння як базовий з результатами фізичного моделювання і шахтних спостережень. Моделювався однорідний масив з піщано-глинястих порід горизонтального залягання. Модуль пружності 30 ГПа, коефіцієнт Пуассона 0,3, межа міцності порід на одноосьове стиснення 40 МПа, зчеплення становило 1,5 МПа, кут внутрішнього тертя 40⁰. Виробка змодельована шляхом імітації пустоти в кожному з вузлів другого рівня, які її складали. Глибина закладання виробки мінялася від 600 до 1200 м з кроком 200 м. За допомогою комп'ютерної моделі встановлено, що лінії розподілу вертикальних і поперечних зсувань мають однаковий характер, що виражається в їх симетричності і паралельності відносно центральної осі виробки. Вздовж осі одиночної протяжної підготовчої виробки (ППВ) відмічена відсутність зсувань. По мірі поетапного збільшення рівня гірського тиску характер ліній розподілу зсувань вздовж усіх трьох осей координат залишається постійним. Обгрунтовані розміри зони впливу «крайового ефекту» на торцях одиночної ППВ, які є рівними 0,6 ширини виробки. Отримані значення величин просторових переміщень блоків порід на різній глибині, що дозволило точніше настроїти об'ємні фізичні моделі.

У розділі 3 (Фізичне моделювання кінематики і динаміки зсувань уміщуючих підготовчу виробку порід з урахуванням механізму їх просторового саморозклинювання) проведене фізичне моделювання на шести моделях з еквівалентних матеріалів по методиці проф. Г.М. Кузнецова. Перші три моделі були двомірними і використовувалися для настройки параметрів подальших трьох об'ємних моделей. Підбір фізично-механічних властивостей порід, що моделюються здійснювався по традиційній і новій запропонованій автором цієї дисертації методиці. Це дозволило забезпечити достовірність результатів моделювання. Перша об'ємна модель відпрацьована по традиційній технології. Її результати показали, що в площині перпендикулярної осі виробки блоки порід прагнуть рухатися радіально до центра виробки, тому вони неминуче саморозклинюються. Подальше рушення блоків можливе тільки за рахунок локального руйнування і почергового їх рушення в його області. При цьому розвиток подальших зсувань і руйнування супроводиться формуванням і розвитком порідної складки. Аналогічний ефект виникає відносно подовжньої осі виробки. На дільницях, де породи покрівлі і грунту переміщаються в різних напрямах відносно осі виробки, - вертикальна конвергенція буде максимальною. У місцях однонаправленого рушення порід покрівлі і грунту відносно осі виробки, створюються умови до їх саморозклинювання і конвергенція буде мінімальною.

Основні результати фізичного моделювання отримані на двох останніх об'ємних моделях з еквівалентних матеріалів (моделі №2 і №3). Моделі мали форму куба з однією відкритою гранню і внутрішнім розміром ребра 300 мм (15 м в натурі). Шляхом ступінчастого збільшення навантаження імітувалася глибина закладання виробки від 600 до 1200 м. Моделювалася дільниця виробки довжиною 15 і шириною 5 м при масштабі 1:50. З урахуванням відступів від рами стенда і силових поршнів були виділені чотири прямокутних поперечних переріза виробки, в кожному з яких були встановлені по троє анкерів довжиною 2,5 м в натурі. Анкери виконували роль кріплення виробки та контурних реперів і орієнтувалися в першій моделі перпендикулярно оголенню покрівлі. Зсування порід на кожному етапі привантаження двох останніх моделей реєструвалися методом фото-фіксації. Знімки оброблялися на ЕОМ з отриманням діаграм ліній розподілу вертикальних і горизонтальних зсувань (рис. 1, 2), а також полів векторних переміщень в площині оголення покрівлі виробки.

Експериментально встановлено, що рушення всіх точок в масиві навколо протяжної одиночної виробки, розташованої в однакових геологічних умовах по всій довжині є просторовим. При цьому виникає періодичний вияв просторово орієнтованого ефекту саморозклинювання гірських порід. Породи на контурі ППВ зміщаються по шляху найменшого опору окремими блоками. При цьому вектор їх зсувань має ламану форму і просторову орієнтацію. У вертикальній площині (вздовж осі Z) зсування окремих блоків досягають 1 м і більш, по ширині виробки (вісь Y) досягають 25 см а вздовж осі виробки (вісь Х) ці зсування становлять 2_15 см. Всі отримані величини є достовірними, оскільки перевищують помилку вимірювань (14 мм при довірчому інтервалі 95%). Після завершення останнього етапу моделювання, вздовж осі ППВ утворилася кінцева основна тріщина, що проходить через всю дільницю виробки. Особливість цієї тріщини полягає в тому, що вона проходить не по центру виробки, а у вигляді сукупності ламаних ліній, що перерізають дільницю грунту (покрівлі) практично повсюдно. Цей факт свідчить про те, що в застосуванні до даних умов, підтверджена фундаментальна закономірність розвитку процесу руйнування, заснована на вибірності напряму фронту руйнування по шляху найменшого опору. З точки зору термодинаміки процесу руйнування можна сказати, що система «кріплення - навколишні породи» прагне до стану з мінімальним виробництвом ентропії.

Подібну поведінку масиву неможливо виявити при розгляді пружної деформації гірських порід. У напрямі осі виробки зсування відсутні, що не відповідає реальним умовам. Це є природним для пружних серед, але неможливе для безповоротної геомеханічної середи.

Автором була висунена гіпотеза про те, що обмеження просторових мір рухливості блоків порід на контурі ППВ, дозволить досягнути підвищення її стійкості. Для перевірки була відпрацьована інша модель в якій реалізований принцип обмеження просторової рухливості уміщуючих порід і особливо вздовж осі виробки. У цьому випадку принцип реалізований шляхом просторового нахилу анкерів в об'ємній фізичній моделі №3, причому анкери нахилялися на кут 15-20⁰ в площині поперечного перерізу виробки і в площині що відхиляється від неї на кут 5-90⁰.

Якісний порівняльний аналіз діаграм зсувань другої і третьої об'ємних моделей по трьох осях координат показав їх істотну відмінність як по рівню абсолютних значень величин переміщень, так і по характеру розподілу ліній переміщень. Зсування в моделі №3, внаслідок обмеження міри рухливості порідних блоків в просторі, в декілька разів менше зсувань в аналогічній моделі (з типовим способом кріплення) у всіх трьох напрямах. Це говорить про те, що компонента зсувань вздовж осі виробки забезпечує сумірний внесок в формування напруженого стану навколишнього масиву порід і у виникнення або зникнення ефекту саморозклинювання. Основне руйнування в моделі №3 почалося значно пізніше, ніж в попередньому випадку і виразилося в макротріщину практично за один етап привантаження. Подальше збільшення привантаження глобально не змінило форму тріщини, а тільки збільшило її розкриття. Кривизна даної тріщини значно менше, ніж у тріщини моделі №2 і орієнтована по центральній осі виробки. Це свідчить про можливість відносного управління розвитком руйнування на контурі ППВ заснованого на штучному регулюванні механізмом просторового саморозклинювання порід. Забезпечення просторової жорсткості за допомогою спеціальної орієнтації анкерів зменшує імовірність асиметричного опускання покрівлі і на 40% величину опускання.

Еволюція полів міжетапних переміщень показала явну безповоротність процесу їх перерозподілу, неможливість прогнозу напряму руйнування на мікро-рівні і неоднаковість зсування контуру виробки вздовж її осі. Ефективність нового способу кріплення очевидна і доводить можливість управління характером руйнування на макро-рівні.

Отримані закономірності просторових зсувань були перевірені і підтверджені результатами натурних інструментальних спостережень, описаних в розділі 4 (Дослідження механізму саморозклинювання уміщуючих протяжну підготовчу виробку порід за допомогою шахтних інструментальних спостережень). Експеримент було проведено у воздухоподаючому хіднику 23-ї західної лави пласта с₁₁ шахти «Південно-Донбаська №1». Хідник пройдений комбайном ГПК на глибині біля 540 м і використовувався для відробляння вищезгаданої лави зворотним ходом. Переріз виробки в світлу 13,7 м². Основне кріплення - арочна тризвінна з кроком установки 0,8 м. Затягування дерев'яне або металеве сітчасте. Переріз хідника перерізає пласт і уміщуючі його породи. Кут нахилу пласта 5-7⁰. Потужність основної пачки становить 1,7-1,8 м. Міцність вугілля на одноосьове стиснення 20 МПа. У покрівлі розташований однорідний шар алевроліту потужністю біля 10 м з межею міцності на одноосьове стиснення 30 МПа. В грунті пласта розташований шар алевроліту потужністю 1 м і міцністю 27 МПа. Нижче залягає пісковик потужністю 2. Під пісковиком розташовується алевроліт потужністю 1 м.

Вимірювали зміну довжини протяжної дільниці експериментальної виробки на базі 25 м під впливом суміжних очисних робіт, абсолютне значення опускання покрівлі по головках контурних реперів і відносне зсування покрівлі виробки в просторі. Достовірність результатів дослідження забезпечувалася виробництвом дубльованих вимірів (по три дубля на кожному репері), які надалі використовувалися для визначення погрішності вимірювань і довірчого інтервалу (10 мм при інтервалі 95%).

Внаслідок проведених досліджень отримані графіки зміни довжини дільниці виробки у часі і опускання головок анкерів всієї дільниці з робочими реперами в залежності від відстані до наближаючогося очисного вибою лави. Поза зоною впливу лави на виробку відмічається відносне стиснення і розтягнення виробки у часі. Причому, для кожного окремо взятого перерізу, процес деформації контуру може протікати по різному, хоч загалом вони погоджують своє загальне рушення в порожнину виробки. По мірі наближення очисного вибою лави, відмічається періодична активізація зсувань на контурі підготовчої виробки і переважання її відносного розтягнення над стисненням. Процес подовжньої деформації підготовчої виробки має яскраво виражений безповоротний характер, тому що зазнав розтягнення дільниця не може стиснутися до початкового рівня, внаслідок чого нагромаджується розтягнення вздовж осі. Величина сумарного розтягнення дільниці виробки довжиною 25 м досягає 152 мм перед погашенням виробки услід за лавою. При цьому максимальна деформація вздовж осі виробки досягає 3%, що значно вище за межу міцності порід на розтягнення.

Експериментально встановлений почерговий характер опускання суміжних (на відстані 1 м) порідних блоків покрівлі, як в поперечному перерізі виробки, так і вздовж її осі. При цьому один з блоків прискорює своє рушення, а суміжний через 5-20 діб доганяє його (при середній швидкості посування очисного вибою 2,6 м/добу). Взаємне випередження суміжних блоків коливається від 30 до 100 мм (в залежності від відстані до очисного вибою), причому блок, що раніше відставав може надалі перегнати суміжний, який лідирував раніше. Встановлений в натурних умовах ефект повністю співпадає з даними фізичного моделювання.

Виміри відносних переміщень покрівлі в суміжних перерізах в зоні ПГД показали їх нерівномірність і неоднаковість. На дільницях, де вектори відносного зсування покрівлі переміщаються в різних напрямах відносно осі виробки, - величина опускання покрівлі максимальна. У місцях однонаправленого зсування порід покрівлі відносно осі виробки, створюються умови для їх саморозклинювання і зсування мінімальні. Отримані закономірності можна використати для обгрунтування просторової орієнтації стояків посилення в зоні ПГД. Загалом натурні спостереження показали, що в період служби виробки, уміщуючі породи прагнуть зміститися в її порожнину по шляху найменшого опору в просторі і часі. При цьому аналогічно даним фізичного моделювання вектор їх зсувань має ламану форму і просторову орієнтацію.

У розділі 5 (Промислові випробування нових способів забезпечення стійкості протяжної підготовчої виробки) реалізований принцип просторового обмеження міри рухливості блоків порід двома способами. Суть першого полягає в спеціальній орієнтації анкерів, при якої в процесі проходки виробки здійснюють їх нахил під кутом рівним 5-40⁰ по відношенню до очікуваного напряму зсування порід. При цьому нахил анкерів здійснюють в площині, що не співпадає з площиною поперечного перерізу виробки і що відхиляється від неї на кут рівний 5-90⁰. Другий спосіб розроблений для забезпечення стійкості ППВ в динамічній зоні опорного тиску за допомогою просторової орієнтації стояків посилення. При цьому в зоні активного опорного динамічного тиску вимірюють вектор відносних зсувань покрівлі по схилу, а стояки встановлюють з нахилом проти напряму цього вектора. Кут нахилу пропорційний величині вектора відносного зсування покрівлі вздовж осі виробки. Головна перевага просторової орієнтації стояків посилення полягає в стабілізації габаритів виробки по її довжині і кращому стані сполучення з лавою. Це пов'язано із зменшенням міри рухливості суміжних блоків при локальному впливі на найбільш небезпечну дільницю виробки, внаслідок чого посилюється ефект просторового саморозклинювання. Внаслідок впровадження запропонованих автором способів, вертикальна конвергенція на контурі виробки поменшала в 1,3 рази при незмінній витраті кріпильного матеріалу. Крім того, підвищилася стійкість сполучення лави з виїмковим хідником, що виразилося в зменшенні вертикальної конвергенції в середньому на 9% і зниженні в 3 рази кількості вивалів порід. При цьому головна перевага полягає не стільки в більшому вертикальному габариті перерізу хідника, скільки в меншому розкиді його величини по довжині виробки і кращому стані сполучення. Зазначимо, що на фізичній моделі був отриманий аналогічний результат, коли зсування покрівлі не тільки стали меншими, але і величина зсувань була більш стабільною. Саме ця стабільність є прямим свідченням наявності просторового ефекту саморозклинювання блоків порід, чому сприяла обмежувальна функція просторової орієнтації стояків.

Висновки

Основні положення роботи полягають в наступному:

Експериментально встановлене, що породи на контурі протяжної підготовчої виробки (ППВ) зміщаються по шляху найменшого опору окремими блоками. При цьому вектор їх зсувань має ламану форму і просторову орієнтацію. У площині, перпендикулярної осі виробки зсування окремих блоків досягають 1 м і більш, вздовж осі виробки ці зсування становлять 2-15 см, що на два порядки менше. Незважаючи на це, компонента зсувань вздовж осі виробки забезпечує сумірний внесок в формування напруженого стану навколишнього масиву порід і у виникнення або зникнення просторового ефекту саморозклинювання.

Шахтними інструментальними вимірюваннями встановлено, що по мірі наближення очисного вибою лави відмічається періодична активізація зсувань на контурі підготовчої виробки з основною тенденцією, при якій відмічається переважання вздовж осі виробки відносного розтягнення над стисненням. Це пояснюється яскраво вираженим безповоротним характером, оскільки дільниця, що зазнала розтягнення не може стиснутися до початкового рівня, внаслідок чого нагромаджується розтягнення вздовж осі. Величина сумарного розтягнення дільниці виробки довжиною 25 м досягає 152 мм перед погашенням виробки услід за лавою. При цьому максимальна деформація вздовж осі виробки досягає 3%, що значно вище за межу міцності порід на розтягнення.

Експериментально встановлений почерговий характер опускання суміжних (на відстані 1 м) порідних блоків покрівлі в просторі, відмінний тим, що один з блоків прискорює своє рушення, а суміжний через 5-20 діб доганяє його (при середній швидкості посування очисного вибою 2,6 м/добу). При цьому взаємне випередження суміжних блоків коливається від 30 до 100 мм (в залежності від відстані до очисного вибою), причому блок, що раніше відставав може надалі перегнати суміжний, який лідирував раніше.

Експериментально встановлене, що забезпечення просторової жорсткості за допомогою спеціальної орієнтації анкерів зменшує імовірність нерівномірного зсування покрівлі і на 40% величину опускання. На основі цього результату запропонований новий геомеханічний принцип управління стійкістю покрівлі ППВ, заснований на обмеженні просторових мір свободи (рухливості) суміжних дільниць приконтурної зони масиву.

Новий принцип обмеження просторової рухливості суміжних порідних блоків дав можливість розробити паспорт кріплення порідними анкерами, при якому установку анкерів здійснюють під кутом рівним 5-40⁰ по відношенню до напряму зсування порід. При цьому нахил анкера здійснюють в площині, не співпадаючій з площиною поперечного перерізу виробки і що відхиляється від неї на кут рівний 5-90⁰.

Розроблений спосіб забезпечення стійкості ППВ в динамічній зоні опорного тиску за допомогою просторової орієнтації стояків посилення. При цьому вимірюють вектор відносних зсувань покрівлі по схилу, а стойки встановлюють з нахилом назустріч напряму цього вектора. Кут нахилу пропорційний величині вектора відносного зсування покрівлі вздовж осі виробки.

Способи установки анкерів і стояків посилення з їх просторовою орієнтацією відносно перерізу ППВ і її подовжньої осі пройшли успішну промислову перевірку на шахті «Південно-Донбаська №1» у воздухоподаючому хіднику 23-ї західної лави пласта с₁₁. У результаті конвергенція на контурі виробки поменшала в 1,3 рази при незмінній витраті кріпильного матеріалу і забезпечена стійкість сполучення з лавою.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Nazimko V.V., Lapteev A.A., Sazhnev V.P. Rock mass self-supporting effect utilization for enhancement stability of а tunnel // 36th U.S. Rock Mechanics Symposium, - 1997. - J. Rock Mech. & Min. Sci. 34:3 4, Paper No. 223.

S.V. Naprasnikov, S.N. Alexandrov, V.P. Sazhnev, V.V. Nazimko Stabilization of ground movement with yield rock bolts using spatial effect. - Dnipropetrovsk: NMUU, 1999. pp. 261-264.

Сажнев В.П. Обоснование пространственного ориентирования анкеров при креплении горной выработки // Известия донецкого горного института. - 1999. - №2. - С. 55-59.

Сажнев В.П., Назимко В.В Пространственные сдвижения пород вокруг одиночной протяженной подготовительной выработки // Проблемы горного давления. - Донецк: ИНФО. - 1999. - №3. - С. 30-63.

Лаптеев А.А., Сажнев В.П., Сугаков В.А. Изучение эффекта саморасклинивания вмещающих выработку пород методом объемного физического моделирования // Известия донецкого горного института. - 1999. - №2. - С. 77-80.

Зборщик М.П., Сажнев В.П., Нагопетян П.Э. Применение чувствительных датчиков для регистрации малых сдвижений в горизонтальной плоскости объемных физических моделей // Проблемы горного давления. - Донецк: ИНФО. - 1999. - №3. - С. 130-135.

Повышение устойчивости основных подготовительных выработок в зоне их последующей надработки / Халимендик Ю.М., Разводов А.Г., Назимко В.В., Сажнев В.П., Лаптеев А.А. - Донецк: ДонГТУ, 1997. - 89 c.

Заявка на а.с. № 98010325. Украина. Способ установки анкера / Назимко В.В., Александров С.Н., Сажнев В.П. (Украина). - 6с. ил.; Заявлено 21.01.98г.

Размещено на Allbest.ru