Обґрунтування параметрів підтримання підготовчих виробок в структурно-неоднорідних породах

Размещено на http://allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОТЕХНІЧНОЇ МЕХАНІКИ ім. М. С. Полякова

УДК [622.831.312:622.261.5:622.28.042] (043.3)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ПІДТРИМАННЯ ПІДГОТОВЧИХ ВИРОБОК В СТРУКТУРНО-НЕОДНОРІДНИХ ПОРОДАХ

Спеціальність: 05.15.02 - “Підземна розробка родовищ корисних копалин”

СЛАЩОВ Ігор Миколайович

Дніпропетровськ - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова

Національної академії наук України.

Науковий керівник -доктор технічних наук, професор КОЛОКОЛОВ Олег Васильович,

Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор УСАЧЕНКО Борис Миронович,

Інститут геотехнічної механіки ім. М. С. Полякова НАН України, завідувач відділу механіки гірських порід (м. Дніпропетровськ);

кандидат технічних наук САХНО Іван Георгійович, Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри розробки родовищ корисних копалин (м. Донецьк).

Захист відбудеться “ 3 ” липня 2009 р. о 13³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.188.01 при Інституті геотехнічної механіки ім. М. С. Полякова НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а, факс (0562) 46-24-26.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту геотехнічної механіки ім. М. С. Полякова НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а.

Автореферат розісланий “ 2 ” червня 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук В. Г. Шевченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Вугілля є найважливішим енергоносієм, основою незалежного енергозабезпечення, металургійної та хімічної промисловості України. Зниження його собівартості - пріоритетна задача гірничодобувної галузі. За останні десять років середня швидкість посування очисних вибоїв виросла в 1,7 рази, обсяги проведення підготовчих виробок, навпаки, скоротилися більше ніж в 1,5 рази, при цьому 30 % з них щорічно перекріплюється. Це викликано, насамперед, збільшенням глибини розробки і підвищенням інтенсивності проявів гірничого тиску в підготовчих виробках, які з технологічних причин, як правило, проведені в структурно-неоднорідних породах середньої і слабкої міцності. У таких умовах найбільш гостро постають питання забезпечення стійкості і працездатності підготовчих виробок, підтримання яких традиційними способами малоефективне і досить проблематичне. Одним з шляхів вирішення цієї проблеми є розробка нових способів і засобів їх підтримання, які максимально використовують вантажонесучу здатність породного масиву, визначену на основі розрахункових або експериментальних методів.

Разом з тим, обґрунтування параметрів підтримання підготовчих виробок, що знаходяться під впливом очисних робіт, і розробка нових технічних рішень забезпечення їх стійкості стримується недостатньою вивченістю взаємодії охоронних конструкцій із тріщинуватими структурно-неоднорідними породами, відсутністю адекватних геомеханічних моделей і програмно-технічних засобів, що враховують різноманіття специфічних для великих глибин факторів, нехтування якими призводить до помилок при визначенні проявів гірничого тиску і неминучих економічних втрат. Тому встановлення закономірностей змін проявів гірничого тиску і напружено-деформованого стану шаруватих порід під впливом очисних робіт та обґрунтування параметрів підтримання підготовчих виробок в структурно-неоднорідних породах є актуальним науковим завданням, яке має важливе практичне значення для видобутку вугілля на великих глибинах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках науково-дослідних тем: “Визначення раціональних параметрів кріплення пластових і польових штреків на глибоких горизонтах”, № ДР 01900008099, 1992 р. (НГУ МОН України, по якій автор був відповідальним виконавцем); “Розробити наукові основи керування і контролю стійкості боків і підошви гірничих виробок анкерним кріпленням нового технічного рівня”, № ДР 0103U004309, 2005-2006 р.; “Розробка схем дегазації вугільних пластів і вміщуючих порід, що передбачають відокремлені за часом і у просторі процеси добування вугілля та дегазації масиву”, № ДР 0107U006037, 2004-2007 р.; “Розробити методику комплексних досліджень і геомеханічну модель руйнування вуглепородного масиву навколо підготовчих виробок та провести аналітичні дослідження процесів формування і проявів гірничого тиску”, № ДР 0107U006037, 2007 р.; “Механіка газонасиченого масиву гірських порід, прогресивні техніко-технологічні рішення підземного видобутку вугілля”, № ДР 0107U006037, 2007-2009 р. (ІГТМ НАН України, по яких автор був виконавцем).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є обґрунтування параметрів підтримання підготовчих виробок, що забезпечують підвищення їх стійкості в структурно-неоднорідних породах глибоких шахт Донбасу.

Для досягнення мети поставлені та вирішені наступні завдання:

- виконати аналіз стану підготовчих виробок у складних гірничо-геологічних умовах глибоких шахт;

- обґрунтувати геомеханічні моделі, розробити і апробувати алгоритми та програмно-технічні засоби для достовірного визначення проявів гірничого тиску при експлуатації підготовчих виробок в структурно-неоднорідних породах;

- визначити зміни напружено-деформованого стану і техногенної тріщинуватості структурно-неоднорідних порід під впливом очисних робіт та встановити особливості формування зон непружних деформацій;

- визначити шахтними інструментальними та геофізичними методами закономірності змін проявів гірничого тиску у підготовчих виробках під впливом очисних робіт;

- обґрунтувати конструктивні і технічні параметри охоронних систем, що забезпечують підвищення стійкості підготовчих виробок.

Ідея роботи полягає у використанні встановлених закономірностей зміни напружено-деформованого стану структурно-неоднорідних порід і проявів гірничого тиску під впливом очисних робіт для визначення параметрів підтримання підготовчих виробок.

Об'єкт дослідження: процеси деформування структурно-неоднорідних порід та технології підтримання підготовчих виробок глибоких шахт.

Предмет дослідження: конструктивні та експлуатаційні параметри охоронних систем підготовчих виробок, що враховують закономірності проявів гірничого тиску в структурно-неоднорідних породах.

Методи дослідження. Мета роботи досягнута шляхом аналізу і узагальнення науково-технічної інформації, математичного моделювання геомеханічних процесів з використанням законів фізики гірських порід і механіки суцільних середовищ, лабораторних досліджень властивостей гірських порід, шахтних інструментальних і геофізичних досліджень проявів гірничого тиску при експлуатації підготовчих виробок, інженерного конструювання засобів кріплення, техніко-економічного аналізу технічних рішень.

Наукові положення, що виносяться на захист:

1. В структурно-неоднорідних породах зміщення покрівлі підготовчих виробок домінують із сторони висячого боку пласта з коефіцієнтом асиметричності 1,1-1,6 і зростають у зоні впливу очисних робіт (від 60 м спереду і до 120 м за лавою) за степеневою залежністю з точкою перегину в зоні опорного тиску, в якій швидкість зміщень збільшується в десятки разів, що обумовлено активізацією розповсюдження техногенних тріщин, переважно за напрямками структурних дефектів.

2. Асиметричні форма виробки, податливість кріплення та зміцнена приконтурна зона, як елементи керування гірничим тиском, забезпечують в структурно-неоднорідних породах зниження негативного впливу очисних робіт на стійкість підготовчих виробок за рахунок зменшення на 10-35 % зони непружних деформацій і зміщення вглиб на 0,5-3 м асиметричної зони опорного тиску. Кріплення з еліпсоподібним склепінням, у якого величина асиметричності обернено пропорційна міцності порід, а конструктивна податливість спрямована під кутом 70-90⁰ до лінії падіння пласта, в породах з міцністю 40-90 МПа забезпечує зниження зміщень покрівлі на 40-10 % відповідно.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше отримана експериментальна залежність, яка визначає величину домінуючих зміщень структурно-неоднорідних порід висячого боку пласта в підготовчих виробках, що експлуатуються у зонах впливу очисних вибоїв глибоких вугільних шахт;

- вперше запропонована математична модель, яка дозволяє на основі розрахунку методом скінченних елементів можливих напрямків площадок ковзання і розриву зв'язків в елементах моделі визначати орієнтацію систем домінуючої техногенної тріщинуватості з урахуванням природних структурних дефектів;

- вперше встановлені залежності зміни форм і розмірів підготовчих виробок крутих пластів від напружено-деформованого стану породного масиву на базі нових геомеханічних моделей, які враховують шаруватість, тріщинуватість, вплив очисних робіт і тектонічних напружень;

- подальший розвиток одержало наукове обґрунтування параметрів підтримання підготовчих виробок при їх експлуатації в структурно-неоднорідних породах, яке відрізняється урахуванням асиметричності зон непружних деформацій і проявів гірничого тиску.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей змін проявів гірничого тиску, напружено-деформованого стану і техногенної тріщинуватості структурно-неоднорідних порід під впливом очисних робіт, які забезпечили можливість та умови наукового обґрунтування параметрів підтримання підготовчих виробок глибоких шахт з урахуванням шаруватості, тріщинуватості, тектонічних напружень, асиметричності зон непружних деформацій і проявів гірничого тиску.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджується: коректною постановкою задач; використанням теоретичних методів досліджень, що базуються на фундаментальних законах теорії пружності і механіки гірських порід; апробованими методами математичного моделювання; статистично значимим обсягом експериментальних даних; позитивними результатами впровадження розроблених рекомендацій і дослідно-промислової перевірки запропонованих технічних рішень; задовільною збіжністю аналітичних, лабораторних і шахтних досліджень, що в сукупності забезпечує надійність результатів не нижче 95 % при відносній похибці не більше 30 %.

Практичне значення одержаних результатів полягає у:

- розробці і апробації геомеханічних моделей, алгоритмів і об'єктно-орієнтованих програмно-технічних засобів розрахунку та аналізу напружено-деформованого стану тріщинуватих структурно-неоднорідних порід, що забезпечують експлуатаційний прогноз стійкості підготовчих виробок;

- розробці методик моніторингу стійкості підготовчих виробок і досліджень процесу зрушення покрівлі вуглепородного масиву при проведенні очисних робіт з урахуванням систем техногенної тріщинуватості;

- розробці рекомендацій по забезпеченню стійкості підготовчих виробок пласта m₃ шахти ім. О. Ф. Засядька щодо технологічних і технічних параметрів охоронних систем в зонах впливу очисних робіт;

- розробці рекомендацій по визначенню місць розташування підготовчих виробок, силових характеристик системи кріплення-масив, раціональних форм пластових і польових штреків глибоких шахт Центрального району Донбасу в умовах підвищеної тектонічної активності і тріщинуватості гірських порід;

- розробці і випробуванні нового асиметричного кріплення для умов шахт крутого падіння, яке сприяє залученню масиву в спільну роботу і забезпечує зниження деформацій підготовчих виробок.

Реалізація результатів роботи. Основні результати досліджень автора використані при розробці: рекомендацій щодо параметрів кріплення і підтримання пластових та польових штреків з урахуванням тектонічної активності, непружних деформацій і тріщинуватості гірських порід, які були передані ДонНДІ і використані при виготовленні дослідно-промислових зразків асиметричного кріплення (Довідка від 8.12.2008 р.); галузевого стандарту СОУ 10.1.05411357.006:2007 “Дегазація вугільних пластів та вміщуючих порід з застосуванням газозбірної виробки. Схеми дегазації”, який за наказом № 546 від 7.12.2007 р. Мінвуглепрому України з 01.04.2008 р. впроваджується на вугільних шахтах; методик “Поточного моніторингу стійкості виробок “газового горизонту” при відпрацьовуванні 17 західної лави пласта m₃”, “Дослідження процесу зрушення покрівлі вуглепородного масиву при проведенні очисних робіт для прогнозної оцінки напрямків потоків метану” і “Рекомендацій по забезпеченню стійкості вентиляційного ходка “газового горизонту” по пласту m₃ 16 західної лави”, які впроваджені на шахті ім. О. Ф. Засядька (Довідка від 12.03.2008 р.). Дольова участь автора в фактичному економічному ефекті, одержаному від впровадження розробок, складає 192,8 тис. грн.

Особистий внесок здобувача полягає в формулюванні мети, задач досліджень, наукових положень, висновків і рекомендацій, створенні алгоритмів і програмно-технічних засобів на основі метода скінченних елементів, проведенні лабораторних і шахтних досліджень, обробці і аналізі даних, визначенні проявів гірничого тиску і обґрунтуванні параметрів підтримання підготовчих виробок, розробці засобів кріплення, методик, рекомендацій та нормативного документу. Текст дисертації викладений автором особисто.

Апробація результатів досліджень. Основні положення роботи доповідались і схвалені на наукових конференціях: “Техніка і технологія гірничого виробництва” (Дніпропетровськ, 1990); “Теория и практика комплексного освоения месторождений полезных ископаемых и обогащения минерального сырья” (Москва, 1991); ХV, ХVI, ХVII и ХVIII Міжнародних наукових школах “Деформування і руйнування матеріалів з дефектами та динамічні явища в гірських породах і виробках” (Алушта, 2005, 2006, 2007, 2008); “Метан вугільних родовищ України” (Дніпропетровськ, 2006, 2008); The 7th European coal conference (Lviv, 2008).

Публікації. Основні результати досліджень опубліковані у 22 наукових працях, з яких: 13 - у фахових виданнях, 7 - у матеріалах науково-технічних конференцій, 1 - патент на винахід, 1 - стандарт Мінвуглепрому України, в тому числі 4 роботи опубліковані без співавторів.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел із 162 найменувань і 4 додатків; містить 138 сторінок машинописного тексту, 49 рисунків, 19 таблиць, 26 сторінок додатків, загальний обсяг - 231 сторінка.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі проведено аналіз стану підготовчих виробок в складних гірничо-геологічних умовах глибоких горизонтів і сучасних досягнень в області забезпечення їх стійкості. Вагомий внесок в розробку і вдосконалення способів та засобів підвищення стійкості підготовчих виробок внесли вчені України і ближнього зарубіжжя - УкрНДМІ, ІГТМ, НГУ, КТУ, КПІ, ДонВУГІ, ДонНТУ, ДонФТІ, МДГУ, ІГС ім. Скочинського, ІПКОН РАН та ін. Однак, незважаючи на значну кількість досліджень, виробки на глибоких горизонтах знаходяться переважно в незадовільному стані, що пов'язано із зростаючою складністю умов їх підтримання.

Аналіз показав, що низька стійкість пояснюється слабкою міцністю порід, значними величинами напружень, тектонічними порушеннями масиву, розшаруваннями і сповзаннями порід, а також неадекватною реакцією засобів кріплення на нестаціонарні і несиметричні прояви гірничого тиску. Рамне кріплення часто не відповідає характеру навантаження, руйнування масиву відбувається без формування опорних породних зон. У таких умовах доцільне застосування асиметричних кріплень, але широкого розповсюдження вони не одержали через велику кількість вузлів податливості і складності виготовлення. Для збереження стійкості необхідне застосування комбінації способів і засобів підтримання, які включають варіанти розташування виробок, типів кріплення, а також комплексів охоронних споруд і способів керування покрівлею у виробленому просторі лави.

Таким чином, гірничий тиск формує навантаження на кріплення, з іншого боку самі охоронні конструкції суттєво впливають на процеси руйнування масиву. Тому прийняття ефективних технічних і технологічних рішень підтримання підготовчих виробок повинне базуватися на експериментально-аналітичних методах, які враховують особливості деформування породного масиву на різних етапах ведення гірничих робіт.

Методи аналізу геомеханічних процесів таких складних систем вимагають подальшого вдосконалення, оскільки відсутні надійні геомеханічні моделі, які враховують специфіку взаємодії охоронних конструкцій з тріщинуватими структурно-неоднорідними породами, сучасні спеціалізовані програми обчислень, автоматизовані системи аналізу інформації.

У другому розділі проведені дослідження способів і засобів оцінки напружено-деформованого стану (НДС) структурно-неоднорідних порід з урахуванням особливостей, характерних для глибоких горизонтів шахт Донбасу, які були спрямовані на те, щоб максимально наблизити геомеханічну модель до реального деформаційного процесу. Для підвищення оперативності і вірогідності експлуатаційного прогнозу деформацій виробок відпрацьовані способи врахування гірничо-геологічних і гірничотехнічних факторів, структурних порушень, тріщинуватості гірських порід, а також завдання в розрахункових схемах граничних умов і можливих навантажень. Для розширення можливостей практичного використання чисельного моделювання систематизовані первинні і отримані в результаті розрахунків інформативні параметри.

Розрахунки пружного, пружнопластичного та позаграничного деформування породного масиву базувалися на аналітичних закономірностях механіки суцільних середовищ і теорії граничних станів, які були реалізовані відомими та широко апробованими процедурами методів скінченних елементів та початкових напружень.

Для визначення параметрів складних процесів деформування тріщинуватого структурно-неоднорідного породного масиву розроблено нову об'єктно-орієнтовану технологію комп'ютерного аналізу, яка відрізняється від відомих розрахунком можливих напрямків ліній ковзання і визначенням орієнтації техногенних тріщин з урахуванням домінуючих систем природної тріщинуватості.

При цьому застосована ієрархія керування, яка полягає в системних викликах з головного модуля програмних функцій автоматизованого створення розрахункових схем, розрахунку кількісних параметрів напружень і зміщень вузлів, візуалізації векторів максимальних головних і дотичних напружень, контролю, аналізу та обробки даних. В цілому, програмний комплекс задовольняє вимогам до сучасних обчислювальних систем: поетапній реалізації розрахунків з урахуванням змін на попередніх стадіях моделювання, інтерактивній візуалізації проміжних і кінцевих обчислень.

Розроблені геомеханічні моделі для пологого і крутого залягання вугільних пластів, які відповідають процесам деформування в реальному структурно-неоднорідному масиві, оскільки в них проведена глибока деталізація основних і специфічних факторів, нехтування якими призводить до грубих помилок при визначенні зміщень порід в підготовчих виробках. Зокрема, були враховані як фізико-механічні властивості і структура гірських порід, так і особливості непружного деформування, тріщинуватість, тектонічні напруження.

Верифікація і апробація моделей проведена шляхом порівняння розрахунків з теоретичними, лабораторними і шахтними дослідженнями на прикладах: пружної вагомої області під дією зосереджених і розподілених сил; штампа в умовах граничного критичного навантаження; керованого руйнування зразка піщанику, як елемента масиву, який знаходиться в спрощених умовах одноосьового стиснення; повномасштабних чисельних експериментів на багатокомпонентній моделі ділянки породного масиву, що вміщує гірничі виробки з різними способами їх підтримання.

Зіставлення експериментів показали адекватність і вірогідність визначення зон концентрації напружень і розвантаження, їх конфігурації, ліній ковзання та границь між ділянками різних по типу деформацій. Установлено, що похибка розрахунку пружної моделі в порівнянні з теоретичним рішенням пов'язана зі способом дискретизації розрахункової схеми і навіть при досить грубій розбивці не перевищує 5 %. Розходження деформацій у модельних і лабораторних експериментах обумовлені ідеалізацією мікроструктурної побудови порід, при цьому похибка не перевищує 10 %. При вирішенні складних гірничих задач похибка складає від 16 % до 28 %.

Проведений аналіз ліній ковзання показав, що перед руйнуванням масиву в ньому відбувається зміна орієнтації зрушуючих сил і формування зон спрямованих зсувів, які спочатку виникають в напружених ділянках масиву, а при збільшенні навантаження охоплюють все більші області. При цьому активізація поширення техногенних тріщин обумовлена видом напруженого стану і відбувається, переважно, по мікро - і макродефектах породи (природній тріщинуватості, шаруватості).

В результаті досліджень розроблено методику прогнозу стійкості підготовчих виробок глибокого закладання з урахуванням систем техногенної тріщинуватості, яка поєднує аналітичні розрахунки та шахтні експерименти, що дозволило уточнювати та контролювати отримані дані.

У третьому розділі представлені результати шахтних досліджень стану підготовчих виробок і системи кріплення-масив. Спостереження, вимірювання і аналіз даних проведені на одинадцяти крутих пластах. Специфіка досліджень даної роботи полягала в тому, що для вимірювання зміщень були вибрані підготовчі виробки, що розташовані в слабких породах у зоні впливу очисних робіт.

Для аналізу вибрані вугільні пласти за активністю їх промислової розробки та частотою виникнення проблем з підтримкою підготовчих виробок. Візуальні обстеження і інструментальні виміри зміщень контурних реперів та позначок на рамах кріплення проведені на 58 замірних станціях.

В результаті інструментальних досліджень встановлено, що прояви гірничого тиску в підготовчих виробках мають виражену спрямованість. Перевага зміщень покрівлі у напрямку, нормальному до лінії падіння пластів, простежується на всіх технологічних етапах ведення гірничих робіт. Вектор критичних навантажень, які руйнують силові елементи кріплення, не збігається з направленням його податливості, тому замкові з'єднання повністю виходять із ладу.

Аналіз і статистична обробка даних підтвердили, що під дією сил опорного тиску лави спостерігається найбільша асиметричність навантаження на кріплення. Після проходу очисного вибою значення зміщень у різних напрямках вирівнюються, при цьому 70 % підготовчих виробок втрачають стійкість і мають зміщення контура більше 900 мм. Визначені ймовірності втрати стійкості підготовчих виробок в залежності від положення очисного вибою (l, м):

;

. (1)

Характер навантаження на кріплення істотно змінюється залежно від технологічної зони, в яку потрапляє виробка, тому кріплення, які добре працюють у зоні опорного тиску, можуть руйнуватися відразу після проходу очисного вибою. Встановлено регресійну залежність домінуючих зміщень покрівлі від положення очисного вибою:

. (2)

Дослідження показали, що у випадку рівномірно розподілених зміщень стійкість підготовчих виробок може бути підвищена в зоні опорного тиску на 34 %. Очевидно, що природа нерівномірності навантажень на кріплення і можливість керованого використання даного резерву підвищення стійкості вимагає дослідження причин формування гірничого тиску перпендикулярно напластуванню. Тому проведена кількісна оцінка головних і дотичних напружень, зміщень і деформацій, зон непружних деформацій і тріщинуватості. тріщинуватість порода геотехнічний

Показано, що асиметричність деформацій обумовлена особливостями несиметричного формування зон непружних деформацій, які характерні для всіх етапів ведення гірничих робіт і визначаються міцністю та деформаційними властивостями структурно-неоднорідних порід, станом вугільного пласта і породного масиву, напрямком вектора головних напружень, формою і розмірами виробок, ступенем забутовки, впливом сполучених виробок і очисних робіт.

У результаті шахтних спостережень виявлено зональний характер уздовж виробок інтенсивних незгасаючих проявів гірничого тиску, які відрізняються аномально високими деформаціями. В умовах шахти “Північна” апробовано спосіб діагностики аномальних зон у штреках віброакустичним методом, проведена оцінка інтенсивності тріщинуватості методом вертикального електричного зондування. Встановлено розташування аномальних зон підвищеної тріщинуватості. Запропоновано селективний підхід до підтримання штреку, що полягає в завчасному вибірковому посиленні кріплення, параметри якого визначаються залежно від інтенсивності аномалії і НДС породного масиву. Для виявлення характеру руйнувань проведені дослідження тріщинуватості навколо підготовчих виробок у зоні впливу очисних робіт, у результаті яких встановлено, що за лінійними розмірами (більше 5 м) зони підвищеної тріщинуватості під впливом очисних робіт істотно перевершують розміри зони без впливу опорного тиску лави (1,5-3,5 м) і мають блокову структуру.

Однією з особливостей великих глибин розробки є прояви тектонічних напружень, які змінюються в просторі і у часі. Тому для врахування геодинаміки масиву в роботі узагальнені дані визначення тектонічних напружень і проведені розрахунки НДС масиву при різних рівнях тектонічної активності в зоні впливу лави для умов шахти ім. К. А. Румянцева. Встановлено, що збільшення тектонічних сил приводить до росту напружень у покрівлі виробок в 2,2 рази, у підошві - в 2,4 рази (до 140-160 МПа), а також до зміни їх орієнтації. Шахтними дослідженнями визначені особливості проявів тектонічних сил у підготовчих виробках, серед яких виділені основні: незначне зниження величини вертикальних зміщень покрівлі відносно розрахованих за геостатичними даними, яке пов'язане зі збільшенням сил стиснення в породах покрівлі (зниження нерівномірності навантажень і збільшення залишкової міцності в умовах об'ємного стиснення); підвищення в кілька разів величини здимання підошви, яке спричинене збігом напрямків максимальних головних напружень з напрямком видавлювання порід у нижніх кутах виробок; підвищення деформацій боків підготовчих виробок під дією розтягуючих напружень; характерний вигин рамних кріплень.

За даними вимірювальних станцій контурного типу в зонах з різними напруженнями встановлено, що прояви гірничого тиску при дії активного тектонічного силового поля для різних етапів гірничих робіт істотно відрізняються. Поза зоною впливу очисних робіт при збільшенні тектонічної активності масиву швидкість зміщення боків виробок збільшується, у зоні обвалення - знижується, у зоні опорного тиску має складний характер, що залежить від закономірностей перерозподілу напружень. У зонах з тектонічними напруженнями більше 55 МПа швидкість зміщень збільшується до 6 разів, а при наближенні очисного вибою - до 10 разів. Ширина зони опорного тиску при збільшенні тектонічних напружень з 52 МПа до 70 МПа зростає з 15 м до 25 м.

Чисельними експериментами визначені і інструментальними вимірами в гірничих виробках підтверджені закономірності НДС масиву в складних умовах впливу очисних робіт з урахуванням тектонічного і гравітаційного полів напружень. Показано, що в таких умовах зниження нерівномірності і концентрації напружень є основними принципами підвищення стійкості підготовчих виробок, а їх ефективне підтримання визначається застосуванням кріплення і охоронних конструкцій, які відповідають проявам гірничого тиску.

У четвертому розділі обґрунтовані параметри підтримання підготовчих виробок, що забезпечують підвищення їх стійкості на глибоких горизонтах.

Для умов пласта “Новий” шахти “Комсомолець” визначені раціональні параметри розташування підготовчих виробок і силові характеристики системи кріплення-масив. Розроблені рекомендації щодо його підтримання в умовах підвищеної тектонічної активності і тріщинуватості гірських порід. Це дозволило знизити напруження й зміщення покрівлі на 300-600 мм.

З погляду зниження напружень велике значення мають форма і розміри поперечного перерізу виробки. Тому для виробок аркової симетричної й різних асиметричних конфігурацій проведено детальний аналіз стану масиву. Встановлено, що перехід від аркової до асиметричної форми призводить до ефекту згладжування напружень в усіх напрямках, відбувається значне поліпшення стану породного масиву: площа ЗНД зменшується до 32 %; простягання ЗНД нормально напластуванню - до 31 %, у покрівлі по пласту - до 13 %; зміщення зменшуються по всьому контуру виробки на 10-40 %.

Встановлено, що величина асиметричності обернено пропорційна міцності вугільного пласта і вміщуючих порід. У результаті серій розрахунків побудована номограма, яка дозволяє визначати форми і розміри підготовчих виробок, розташованих в породах різної міцності.

В результаті техніко-економічного аналізу отримано цільову функцію для розрахунку витрат на проведення і підтримання підготовчих виробок з формою поперечного перерізу, що змінюється:

, (3)

де р_пр - нормативні витрати на проведення підготовчої виробки, грн/м³;

р_пер - нормативні витрати на перекріплення, грн/м;

S_min - мінімальна технологічно припустима площа перерізу, м²;

n_a, n_y - число перекріплень у період активних і сталих зрушень.

Таким чином, при створенні раціональної форми оголення були знижені зміщення й витрати на підтримання підготовчої виробки. Зниження концентрації і нерівномірності напружень у породах досягнуто за рахунок залучення породного масиву в охоронну конструкцію, режим роботи якої забезпечувався силовими елементами кріплення з податливістю, що відповідає напрямку домінуючих зміщень.

Для оптимальної форми поперечного перерізу оголення розроблена конструкція асиметричного кріплення, експериментальні зразки якого були виготовлені й випробувані на шахті “Новодзержинська”. Випробування показали, що в період знаходження асиметричного кріплення в зоні опорного тиску лави був забезпечений експлуатаційний стан штреку: не спостерігалося випадків обвалення покрівлі й значних підняттів підошви, напрямок зміщень відповідав податливості кріплення, технологічні зазори між кріпленням і рухомим складом не були порушені, спостерігався резерв податливості.

У тяжких умовах підтримання підготовчих виробок запропоновано створювати асиметричну зону зміцнення, яка повністю або частково сприймає навантаження від сил гірничого тиску. За аналогією з формою виробки зона підвищеної міцності була охарактеризована не тільки шириною, але і її конфігурацією, яка представлена геометричними розмірами осей еліпса. Такого типу породна “конструкція” має найбільшу опірність по великій осі, що була зорієнтована за напрямком максимальних деформацій. Досліджені стандартна і нові еліпсоподібні форми зміцнених зон рівних площ зміцнення. Встановлено, що нові форми зміцнених зон дозволяють знизити зміщення покрівлі виробки в середньому на 10 %, а підошви - на 14 %.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій на основі встановлених закономірностей зміни проявів гірничого тиску під впливом очисних робіт з урахуванням асиметричності зон непружних деформацій і домінуючих зміщень покрівлі, створення програмно-технічних засобів математичного моделювання напружено-деформованого стану шаруватих і тріщинуватих порід обґрунтовані параметри підтримання підготовчих виробок в структурно-неоднорідних породах та розроблені нові асиметричні засоби кріплення, що має важливе наукове і практичне значення для видобутку вугілля на великих глибинах.

Основні наукові й практичні результати полягають у наступному:

Виконано аналіз сучасного стану підтримання підготовчих виробок у структурно-неоднорідних породах глибоких шахт. Вертикальна конвергенція підготовчих виробок досягає 1,85 м, втрата площі поперечного перерізу - 30-65 %, при цьому зміщення контура мають асиметричний характер, а величина асиметричності змінюється від 15 % до 60 % і залежить не тільки від міцнісних і деформаційних характеристик порід, але й напрямку вектора головних напружень, форм і розмірів виробок та впливу очисних робіт.

Розроблені об'єктно-орієнтований алгоритм і програми розрахунків граничних станів методом скінченних елементів, інтерактивна система візуалізації даних, які дозволяють виконувати комплексну оцінку стійкості підготовчих виробок з урахуванням непружних станів гірських порід, тектонічних напружень, змін інтенсивності і напрямків тріщинуватості.

Шахтними дослідженнями встановлено, що домінування зміщень покрівлі підготовчих виробок у напрямку, нормальному до лінії падіння пластів, простежується на всіх етапах ведення гірничих робіт: без впливу очисних робіт - на 15-35 %, на рівні лави - на 40-55 %, у виробленому просторі - на 25-60 %. Аналітичними і шахтними дослідженнями встановлено, що при збільшенні тектонічних напружень до 60 МПа максимальні напруження в покрівлі і підошві виробки змінюють напрями та зростають в 2-2,5 рази (до 140-160 МПа), що призводить до збільшення стиску порід покрівлі і незначного зниження швидкості вертикальних зміщень, але, разом з тим, до істотного підвищення величини здимання підошви та зростання деформацій боків виробок. Ріст тектонічних напружень призводить до збільшення швидкості зміщень боків виробок у зоні опорного тиску в 1,4-10 разів. При цьому зі зростанням тектонічних напружень з 50 МПа до 70 МПа ширина зони опорного тиску збільшується з 15 м до 25 м.

Встановлено, що цілеспрямоване створення асиметричних форми виробки, склепіння кріплення та зміцненої зони забезпечує залучення масиву в спільну роботу із кріпленням, за рахунок чого площа ЗНД зменшується на 20-35 %, ширина ЗНД уздовж нормалі до пласта - на 30 %, за напрямком лінії падіння пласта - на 15 %, зміщення контура виробки знижуються на 10-40 %.

Обґрунтовано параметри силових характеристик системи кріплення-масив, форм пластових і польових штреків глибоких шахт Центрального району Донбасу, отримана цільова функція оптимізації витрат залежно від форм і розмірів поперечного перерізу виробки, розроблене й апробоване асиметричне кріплення. Результати розробок передані ДонНДІ для створення дослідних зразків кріплення.

Розроблено, затверджено і видано стандарт Мінвуглепрому України “Дегазація вугільних пластів та вміщуючих порід з застосуванням газозбірної виробки. Схеми дегазації”. Впроваджені методики моніторингу стійкості підготовчих виробок, досліджень процесу зрушення покрівлі вуглепородного масиву при проведенні очисних робіт та рекомендації по забезпеченню стійкості вентиляційного ходка “газового горизонту” по пласту m₃, дольова участь автора в фактичному економічному ефекті складає 192,8 тис. грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ НАУКОВИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Яланский А. А. Акустический экспресс-контроль состояния породного массива и устойчивости горных выработок / А. А. Яланский, Т. А. Паламарчук, И. Н. Слащев // Геотехническая механика. - Днепропетровск : ИГТМ НАНУ, 1998. - Вип. 8. - С. 118-123.

2. Методические особенности и результаты электрометрического контроля состояния грунтов и геофильтрационных процессов вблизи гидротехнических сооружений / А. А. Яланский, В. Д. Крученюк, Т. А. Паламарчук , В. Н. Сергиенко, И. Н. Слащев // Геотехническая механика. - Днепропетровск : ИГТМ НАНУ, 1998. - Вып. 9. - С. 47-51.

3. Прогноз проявлений горного давления вблизи выработок методом математического моделирования и геофизической диагностики / А. А. Яланский, Т. А. Паламарчук, И. Н. Слащев, Т. И. Яровая // Геотехническая механика. - Днепропетровск : ИГТМ НАНУ, 2000. - Вып. 22. - С. 141-143.

4. Слащев И. Н. Обоснование геомеханических параметров откаточных штреков в условиях Центр. р-на Донбасса / И. Н. Слащев // Геотехническая механика. - Днепропетровск : ИГТМ НАНУ, 2000. - Вып. 51. - С. 305-311.

5. Слащев И. Н. Прогноз аномальных зон в откаточных штреках Центрального района Донбасса / И. Н. Слащев // Геотехническая механика. - Днепропетровск : ИГТМ НАНУ, 2005. - Вып. 58. - С. 182-188.

6. Экспериментально-аналитический метод прогноза направлений и интенсивности газовых потоков / А. Ф. Булат, С. А. Курносов, И. Н. Слащев, И. А. Ефремов, Б. В. Бокий // Геотехническая механика. - Днепропетровск : ИГТМ НАНУ, 2005. - Вып. 59. - С. 10-21.

7. Слащев И. Н. Обоснование параметров крепления подготовительных выработок при отработке наклонных и крутых угольных пластов / И. Н. Слащев // Геотехническая механика. - Днепропетровск : ИГТМ НАНУ, 2006. - Вып. 66. - С. 223-231.

8. Особенности методического подхода к изучению процессов сдвижения углепородного массива для прогнозной оценки направлений миграции метана / С. А. Курносов, И. Н. Слащев, И. А. Ефремов, Б. В. Бокий, И. А. Ященко // Геотехническая механика. - Днепропетровск : ИГТМ НАНУ, 2006. - Вып. 67. - С. 288-292.

9. Взаимодействие элементов комбинированного способа поддержания газосборных выработок с углевмещающим массивом / С. А. Курносов, И. Н. Слащев, И. А. Ефремов, В. В. Радченко // Геотехническая механика. - Днепропетровск : ИГТМ НАНУ, 2007. - Вып. 68. - С. 24-36.

10. Курносов С. А. Повышение несущей способности комбинированной рамно-анкерной крепи в сложных горно-геологических условиях / С. А. Курносов, Слащев И. Н., А. А. Цикра // Геотехническая механика. - Днепропетровск : ИГТМ НАНУ, 2007. - Вып. 69. - С. 114-121.

11. Слащев И. Н. Устойчивость штреков в условиях повышенной тектонической активности породного массива/И.Н. Слащев // Геотехническая механика. - Днепр. : ИГТМ НАНУ, 2007. - Вып. 76. - С. 245-255.

12. Использование явления зональной дезинтеграции при разработке параметров схем дегазации / С. А. Курносов, Е. А. Слащева, И. Н. Слащев, Н. В. Коваль, М. Ю. Иконников // Геотехническая механика. - Днепропетровск : ИГТМ НАНУ, 2008. - Вып. 80. - С. 265-269.

13. Слащев И. Н. Моделирование трещиноватости как основа прогноза газового режима добычных участков глубоких шахт / И. Н. Слащев, М. Ю. Иконников // Сб. науч. трудов НГУ. - Днепропетровск : РВК НГУ, 2008. - № 31. - С. 236-245.

14. Дегазація вугільних пластів та вміщуючих порід з застосуванням газозбірної виробки. Схеми дегазації : СОУ 10.1.05411357.006:2007. - [Чинний від 2008-04-01] / А. Ф. Булат, А. Т. Курносов, С. А. Курносов, І. М. Слащов, О. А. Слащова, В. М.Сапегін, В. С. Возіянов, В. Б. Ковбасенко, І. Є. Золотухін, В. О. Канін, В. М. Кочерга. - Офіц. вид. - К. : Мінвуглепром України, 2007. - 31 с. - (Нормативний документ Мінвуглепрому України. Стандарт).

15. Пат. № 2048213 РФ, МПК 6 В 09 В 1/00. Способ захоронения твердых бытовых и производственных отходов / О. В. Колоколов, А. М. Кузьменко, В. П. Притыскач, Н. М. Ткаченко, С. К. Стрижиборода, И. Н. Слащев; заявитель и патентообладатель Днепропетровский горный ин-т. - 5007749/09 ; заявл. 19.07.91 ; опубл. 20.11.95, Бюл. № 32.

16. Князев М. В. Выбор рациональной формы подготовительных выработок в сложных горно-геологических условиях / М. В. Князев, И. Н. Слащев // Техника и технология горного производства : Тез. докл. молодых ученых и специалистов, 3-4 окт. 1990 г. - Днепр. : ИГТМ АН УССР, 1990. - С. 12-13.

17. Князев М. В. Поддержание горных выработок с учетом напряжений в массиве пород / М. В. Князев, В. П. Притыскач, И. Н. Слащев // Теория и практика комплексного освоения месторождений полезных ископаемых и обогащения минерального сырья : II школа-семинар молодых ученых, Алма-Ата, 23-27 сент. 1991 г. - М. : ИПКОН РАН, 1992. - С. 65-67.

18. Методические особенности экспресс-оценки напряженно-деформированного состояния породного массива вокруг подготовительных выработок глубоких шахт / А. А. Яланский, С. А. Курносов, И. Н. Слащев, А. И. Сафонов // Деформ. и разруш. матер. с дефектами и динам. явления в горных породах и выработках : Матер. ХV Межд. науч. школы, Алушта, 19-25 сент. 2005 г. - Симферополь : Таврич. нац. ун-т, 2005. - С. 266-268.

19. Обоснование параметров комбинированного способа поддержания горных выработок на различных этапах их деформирования / С. А. Курносов, И. Н. Слащев, Б. В. Бокий, А. А. Цикра // Деформ. и разруш. матер. с дефектами и динам. явления в горных породах и выработках : Матер. XVI Межд. науч. школы, Алушта, 18-24 сент. 2006 г. - Симферополь : Таврич. нац. ун-т, 2006. - С. 164-167.

20. Геомеханические принципы заложения газосборных выработок при дегазации и отработке газонасыщенных пластов / А. Ф. Булат, А. Т. Курносов, С. А. Курносов, И. Н. Слащев, В. А. Канин, Б. В.Бокий, И. А.Ефремов // Деформ. и разруш. матер. с дефектами и динам. явления в горных породах и выработках : Матер. XVII Межд. науч. школы, Алушта, 17-23 сент. 2007 г. - Симферополь : Таврич. нац. ун-т, 2007. - С. 277-280.

21. Kurnosov S. Control of gas-saturated massif behavior in the deep horizons of the coal mines / S. Kurnosov, I. Slaschev, V. Osenniy // The 7th Europ. coal conf.: Abstracts, Lviv, August 26-29, 2008. - Lviv : IGGCM NASU, 2008. - P. 70 -72.

22. Новый подход к повышению несущей способности анкерных систем при поддержании подготовительных выработок на больших глубинах / А. Т. Курносов, С. А. Курносов, И. Н. Слащев, Б. В. Бокий, А. А. Цикра // Деформ. и разруш. матер. с дефектами и динам. явления в горных породах и выработках : Матер. XVIII Межд. науч. школы, Алушта, 22-28 сент. 2008 г. - Симферополь : Таврич. нац. ун-т, 2008. - С. 190-192.

Внесок автора в роботи, що опубліковані у співавторстві: [1, 2, 8, 18] - проаналізовані фактори, обґрунтовані методики оцінки процесів зрушення тріщинуватого масиву і проявів гірничого тиску комп'ютерними технологіями; [6, 13, 16, 21] - обґрунтовані геомеханічні моделі, розроблені і апробовані нові програмно-технічні засоби визначення техногенної тріщинуватості; [3, 9] -проаналізовано НДС структурно-неоднорідних порід навколо підготовчих виробок при застосуванні різних охоронних конструкцій; [12, 17] - визначено вплив тріщинуватості, тектонічних напружень і опорного тиску лави на стійкість підготовчих виробок; [19] - досліджено НДС породного масиву при його поетапному залученні в охоронну конструкцію; [10, 22] - досліджені способи підвищення несучої здатності рамно-анкерного кріплення; [14-16, 20] - обґрунтовані параметри щодо розташування, додаткового кріплення, часткової закладки, форм і розмірів підготовчих виробок.

АНОТАЦІЯ

Слащов І. М. Обґрунтування параметрів підтримання підготовчих виробок в структурно-неоднорідних породах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.02 - “Підземна розробка родовищ корисних копалин”. Інститут геотехнічної механіки ім. М. С. Полякова НАН України, Дніпропетровськ, 2009 р.

Дисертація присвячена обґрунтуванню параметрів підтримання підготовчих виробок в структурно-неоднорідних породах на основі встановлених закономірностей змін проявів гірничого тиску, напружено-деформованого стану і техногенної тріщинуватості під впливом очисних робіт.

Розроблено методику комп'ютерного моделювання експлуатаційного стану геотехнічних об'єктів, яка дозволяє визначати орієнтацію систем домінуючої техногенної тріщинуватості з урахуванням природних структурних дефектів.

Отримана нова експериментальна залежність, яка визначає величину домінуючих зміщень структурно-неоднорідних порід висячого боку пласта в підготовчих виробках, що експлуатуються у зонах впливу очисних вибоїв глибоких вугільних шахт.

З урахуванням шаруватості, тріщинуватості, тектонічних напружень, асиметричності зон непружних деформацій і проявів гірничого тиску встановлені залежності раціональних форм і розмірів підготовчих виробок крутих пластів від напружено-деформованого стану породного масиву, отримана цільова функція оптимізації витрат, розроблено й апробовано асиметричне кріплення.

Результати досліджень використані при розробці і впровадженні методик, рекомендацій, нормативного документа та нового асиметричного кріплення.

В результаті впровадження розробок одержано фактичний економічний ефект.

Ключові слова: структурно-неоднорідний масив, напружено-деформований стан, гірничий тиск, стійкість виробок, підтримання підготовчих виробок.

АННОТАЦИЯ

Слащев И. Н. Обоснование параметров поддержания подготовительных выработок в структурно-неоднородных породах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.02 - “Подземная разработка месторождений полезных ископаемых”. Институт геотехнической механики им. Н. С. Полякова НАН Украины, Днепропетровск, 2009 г.

Диссертация посвящена обоснованию параметров поддержания подготовительных выработок в структурно-неоднородных породах на основе установленных закономерностей изменений проявлений горного давления, напряженно-деформированного состояния и техногенной трещиноватости под влиянием очистных работ.

В диссертации впервые разработана методика компьютерного моделирования эксплуатационного состояния геотехнических объектов в структурно-неоднородных породах, которая позволяет на основе расчета методом конечных элементов возможных направлений площадок скольжения и разрыва связей в элементах модели определять ориентацию систем доминирующей техногенной трещиноватости с учетом природных структурных дефектов. Для исследования сложных геомеханических процессов разработаны математические модели, объектно-ориентированные алгоритмы, программные функции расчета и визуализации данных.

Получена новая экспериментальная зависимость, определяющая величину доминирующих смещений пород со стороны висячего бока пласта в зависимости от положения очистного забоя. Установлено, что асимметричность смещений прослеживается на всех этапах ведения горных работ: без влияния очистных работ - на 15-35 %, на уровне лавы - на 40-55 %, в выработанном пространстве - на 25-60 %. Установлено влияние тектонических напряжений на проявления горного давления в подготовительных выработках. При их увеличении происходит сжатие пород кровли и незначительное снижение скорости вертикальных смещений, но, вместе с тем, существенное повышение величины пучения и возрастание деформаций боков выработок.

С учетом слоистости, трещиноватости, тектонических напряжений, асимметричности зон неупругих деформаций и проявлений горного давления установлены зависимости рациональных форм и размеров поперечного сечения выработок крутых пластов от напряженно-деформированного состояния породного массива, получена целевая функция оптимизации затрат, разработана и испытана асимметричная крепь.

Результаты исследований использованы при разработке и внедрении методик, рекомендаций, нормативного документа и новой асимметричной крепи. В результате внедрения разработок получен фактический экономический эффект.

Ключевые слова: структурно-неоднородный массив, напряженно-деформированное состояние, горное давление, устойчивость выработок, поддержание подготовительных выработок.

ANNOTATION

Slaschev I. N. Substantiation of parameters of maintenance developments workings in structurally-heterogeneous rocks. - Manuscript.

The thesis for technical speciality 05.15.02 - Underground mining. Institute of geotechnical mechanics by N. S. Poljakov NAS of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2009. The thesis is devoted to substantiation of parameters of maintenance developments workings in structurally-heterogeneous rocks on the basis of the obtained regularities of changes of the rock pressure manifestations, the stress-strained state and technogenic fracturing under an exposure to coal-face works.

The methodic of computer modeling of a state maintenance of geotechnical installation, which permits to define orientation of systems of dominating technogenic fracturing taking into account natural structural imperfections has been elaborated. The new experimental dependence spotting magnitude of dominating biases of the structurally-heterogeneous rocks from suspension wall of a seam in developments workings, which exploit in the zones of the exposure to coal-face works, is gained. Taking into account stratification, fracturing, tectonic stress, asymmetrical zones of inelastic strains and rock pressure manifestations are obtained dependences of rational forms and sizes of preparatory workings of steep seams from the is intense-deformed state of a rock mass, function of optimization of expenditures is gained, the asymmetrical support is developed and tested.

Results of explorations are used at development and an introduction of methodics, recommendations, the standard document and a new asymmetrical support. As a result of an introduction of mining's actual economic effect is gained.

Keywords: a structurally-heterogeneous rock mass, stress-strained state, rock pressure, a stability of workings, maintenance of developments workings.

Размещено на Allbest.ru