Геомеханічні моделі в системі геомоніторингу глибоких вугільних шахт та способи забезпечення стійкості протяжних виробок

Размещено на http://allbest.ru

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 622.831

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Геомеханічні моделі в системі геомоніторингу глибоких вугільних шахт та способи забезпечення стійкості протяжних виробок

Спеціальність: 05.15.04 - шахтне та підземне будівництво

Солодянкін Олександр Вікторович

Дніпропетровськ - 2009

Дисертацією є рукопис. Робота виконана на кафедрі будівництва і геомеханіки Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Шашенко Олександр Миколайович, завідувач кафедри будівництва і геомеханіки Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Бондаренко Володимир Ілліч, завідувач кафедри підземної розробки родовищ Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

доктор технічних наук, професор Дружко Євген Борисович, професор кафедри основ, фундаментів та підземних споруд Донбаської національної академії будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України (м. Макіївка)

доктор технічних наук, професор Петренко Володимир Дмитрович, завідувач кафедри тунелів, основ та фундаментів Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту ім. акад. В. Лазаряна Міністерства транспорту та зв'язку України

Захист відбудеться "12" червня 2009 р. о 12.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 у Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України.

Автореферат розісланий "12" травня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.О. Сдвижкова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Видобуток корисних копалин неминуче пов'язаний зі збільшенням глибини розробки. При цьому істотно збільшується гірський тиск, змінюються властивості породного середовища, зростає геологічна порушеність родовищ. Ведення гірничих робіт викликає перерозподіл початкового поля напружень, призводить до руйнування масиву порід, зміни його просторової структури. Все частіше ці процеси носять катастрофічний характер, супроводжуються людськими і матеріальними втратами. У зв'язку з цим, однією з найбільш актуальних проблем сьогодні є забезпечення безпеки і ефективності підземних робіт.

Найбільш тяжкі наслідки проявів підвищеного гірського тиску у виробках глибоких шахт обумовлені великими деформаціями породного масиву. За певних умов великі деформації масиву можуть реалізовуватися надзвичайно швидко, у динамічній формі - гірничі удари, раптові викиди вугілля, породи і газу. Інші протікають відносно повільно, наприклад, деформація і руйнування кріплення, здимання порід підошви і розглядаються як статичні процеси.

Закономірною тенденцією розвитку всіх технічних систем, у тому числі і підземних об'єктів, є постійне підвищення рівня їх складності. Збільшення виробничої потужності гірничодобувних підприємств, інтенсифікація гірничих робіт, зростання протяжності виробок підземного комплексу викликало актуалізацію іншої проблеми - ефективності управління підземним об'єктом для надійного, безпечного і високорентабельного виконання його функцій.

Особливість та складність розглянутих проблем обумовлюється, перш за все, самим об'єктом технологічної дії - породним масивом, що має дуже високий рівень структурних і силових неоднорідностей, мінливість фізико-механічних властивостей, складну взаємодію різних полів напружень.

Одним з шляхів вирішення цих проблем є створення системи геомеханічного моніторингу, що дозволяє проводити ефективне і безпечне управління сучасним гірничодобувним підприємством.

У методологічній структурі геомоніторингу важливим елементом контролю системи «масив-кріплення-виробка», є набір критеріїв, на підставі яких виконується оцінка стану об'єкту. Діагностика стану геомеханічної системи забезпечується на основі закономірностей її поведінки. Контроль і діагностика повинні бути доповнені набором параметрів ефективного управління у вигляді відповідних способів забезпечення стійкості виробок.

Таким чином, розробка комплексу методологічних підходів, як складової системи геомоніторингу, для протяжних виробок в умовах великих деформацій приконтурного породного масиву при їх будівництві та експлуатації, що включає обґрунтування критеріїв стійкого стану, встановлення закономірностей розвитку деформаційних процесів і параметрів управління, розробку нових способів забезпечення стійкості виробок, є актуальною науково-технічною проблемою, вирішення якої дозволить підвищити ефективність і безпеку гірничих робіт в умовах глибоких шахт.

Зв'язок роботи з науковими проблемами, планами і темами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до тематичного плану держбюджетних НДР НГУ: ГП-257 (№ держреєстрації (ДР) 0100U001824), ГП-274 (№ ДР 0100U001792), ГП-290 (№ ДР 0102U003022), ГП-321 (№ ДР 0103U003022), ГП-338 (№ ДР 0104U000780), ГП-366 (№ ДР 0105U000519), ГП-410 (№ ДР 0108U000541) - відповідно до пріоритетного напряму розвитку науки і техніки України «Новітні та ресурсозберігаючі технології в енергетиці», а також в рамках комплексної галузевої програми РН.Ц.001 «Вдосконалення технічної бази паливно-енергетичного комплексу і підвищення ефективності використання енергоресурсів».

Метою роботи є обґрунтування та вдосконалення геомеханічних моделей в системі геомоніторингу і розробка способів забезпечення стійкості виробок в умовах великих статичних деформацій приконтурного масиву.

Для досягнення поставленої мети в дисертації сформульовані і виконані наступні основні задачі досліджень:

· аналіз існуючих уявлень про природу великих статичних деформацій, фактори, що впливають, способи забезпечення стійкості виробок;

· обґрунтування адекватної фізичної моделі для умов очікуваних великих статичних деформацій контура виробки, що призводять до її нестійкого стану (здиманню порід підошви);

· обґрунтування критеріїв переходу геомеханічної системи (моделі) у нестійкий стан;

· дослідження кінетики зміни критеріальних параметрів геомеханічної моделі і встановлення часових меж стабілізації геомеханічних явищ;

· дослідження параметрів управління геомеханічними (деформаційними) процесами навколо протяжної виробки;

· розробка концепції управління геомеханічними процесами в підготовчих виробках вугільних шахт в умовах очікуваних великих деформацій приконтурного масиву;

· розробка способів забезпечення стійкості протяжних виробок в умовах очікуваних великих статичних деформацій для різних геомеханічних і гірничотехнічних умов експлуатації;

· розробка імовірнісної моделі тривалої стійкості протяжної виробки з урахуванням експлуатаційних витрат.

Ідея роботи полягає в урахуванні особливостей розвитку великих статичних деформацій в геомеханічних моделях, методиках прогнозу стану виробок і способах забезпечення стійкості виробок.

Об'єктом досліджень є геомеханічна система «породний масив-кріплення-виробка».

Предметом досліджень є параметри деформаційних процесів в масиві навколо виробки та параметри способів управління стійким станом системи «породний масив-кріплення-виробка».

Методи досліджень. Методологічну основу вирішення поставлених задач досліджень складає комплексний підхід із залученням: методів аналізу і узагальнення науково-технічних досягнень і літературних джерел з тематики досліджень, досвіду підтримки протяжних виробок; механіки гірських порід; математичного моделювання геомеханічних процесів; комплексу шахтних досліджень і фізичного моделювання на еквівалентних матеріалах; методів будівельної механіки, механіки твердого деформованого тіла, теорії пружності, пластичності; теорій вірогідності і математичної статистики.

Наукові положення, що захищаються у дисертації.

1. Величина критичних значень зміщень контура виробки визначається нелінійною залежністю радіусу зони непружних деформацій від величини об'ємного розширення порід і нелінійно убуває зі зменшенням показника умов розробки (и = R_c/гН) та коефіцієнта бічного розпору, що дозволяє обґрунтовано розробляти способи забезпечення тривалої стійкості протяжних виробок.

2. Зміщення контура виробки мають логарифмічну залежність від часу її експлуатації, а основним фактором, що визначає їх величину, є показник умов розробки и, при значеннях якого менше 3,0 інтенсивність і величина зміщень контура відповідає нестійкому стану приконтурного масиву порід, що дозволяє обґрунтовано і своєчасно планувати заходи щодо забезпечення експлуатаційного стану виробки.

3. В умовах формування навколо виробки зони зруйнованих порід величина їх об'ємного розширення гіперболічно зменшується зі зростанням відпору кріплення, що дозволяє знизити зміщення контура виробки і визначити конструктивні і силові параметри кріплення.

4. Показник стійкості виробки, закріпленої металевим податливим кріпленням, нелінійно знижується в процесі її експлуатації і адекватно описується відносним приростом величини зміщень контура виробки, що дозволяє планувати об'єм необхідних ремонтно-відновлювальних робіт.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Отримала подальший розвиток біфуркаційна модель здимання порід підошви проф. О.М. Шашенка, для якої на основі рішення задачі про втрату пружнопластичної стійкості породного масиву в умовах негідростатичного поля початкових напружень, запропонований критерій здимання у вигляді критичних зміщень контура виробки, що істотно розширює можливості застосування даної моделі для розробки ефективних способів підвищення стійкості виробок і здійснення контролю і діагностики стану приконтурного масиву в складних геомеханічних умовах.

2. Вперше отримані закономірності зміни критичних зміщень контура виробки від низки основних гірничо-геологічних і гірничотехнічних чинників: критичного радіусу зони непружних деформацій (ЗНД) r_L*, середнього об'ємного розширення порід , показника умов розробки и, коефіцієнта бічного тиску л і ступеня літогенезу порід (ступеня крихкості) ш, що дозволяє прогнозувати стан виробки під час її тривалої експлуатації.

3. Запропонована нова деформаційна модель розвитку зміщень породного контура виробки після її проведення, що подає процес у вигляді двох етапів - першого, що характеризує велику швидкість зміщень контура і деформації породного масиву, і другого - для якого характерні невеликі зміщення, і деформації, що розвиваються повільно.

4. Розглянута нова фізична модель формування вивалу в умовах можливого утворення значних зон деформацій порід навколо виробок при незначному відпорі кріплення.

5. Вперше запропонована імовірнісна модель стійкості протяжної виробки що враховує фактор часу для визначення оптимальних витрат на спорудження і забезпечення тривалої стійкості виробок головних напрямів при необхідності проведення багатократних ремонтів.

6. Для умов очікуваних великих деформацій приконтурного масиву і зміщень контура виробок запропонована нова концепція управління геомеханічними процесами, в основу якої покладені критерії оцінки стійкого стану виробки - критичний радіус ЗНД і критичні зміщення контура виробки - для попередження катастрофічних і тяжких наслідків при будівництві і підтримці виробок глибоких шахт, а також встановлені закономірності деформації масиву, що враховують час відносної стабілізації геомеханічних процесів, для своєчасного застосування відповідних способів і заходів із забезпечення експлуатаційного стану виробок.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджується достатнім об'ємом даних натурних вимірювань, результатами шахтних і лабораторних досліджень, коректністю поставлених завдань, застосуванням апробованих методів механіки суцільного середовища, статистики і теорії імовірності, задовільною збіжністю результатів аналітичних і натурних досліджень (різниця не перебільшує 20 %), адекватністю розроблених математичних і фізичних моделей, позитивними результатами реалізації розроблених способів і методик у виробничих умовах глибоких шахт.

Наукове значення роботи полягає в теоретичному обґрунтуванні і розробці комплексу методологічних підходів, для протяжних виробок, в умовах великих деформацій приконтурного породного масиву, що включає вибір критеріїв стійкості, встановлення нових закономірностей розвитку деформаційних процесів і впливу параметрів управління напружено-деформованим станом приконтурного масиву.

Практичне значення роботи полягає в розробці:

- нових способів забезпечення стійкості виробок, що враховують механізм деформації приконтурної зони порід в умовах можливої втрати її стійкості при досягненні критичних зміщень і заснованих на попередженні руйнування контура виробки, якщо цього можна досягти застосуванням конструкцій високої несучої здатності, або зниженні їх розпушення і зміщень за допомогою кріплення з високою несучою здатністю, при обмеженій податливості;

- методики прогнозу стійкості підошви виробок для умов очікуваних великих деформацій контура;

- рекомендацій з кріплення анкерами протяжних виробок шахти «Алмазна» ДХК «Добропіллявугілля»;

- рекомендацій з підвищення стійкості підготовчих виробок на глибоких горизонтах вугільних шахт (для умов шахти «Шахтарська-Глибока», ДП «Шахтарськантарцит»);

- методики оцінки стійкості підземних виробок на рудниках Кривбасу;

- методики прогнозу зміщень контура виробок в умовах великих деформацій породного масиву.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи. Результати досліджень реалізовані: на шахті «Шахтарська-Глибока») ДП «Шахтарськантарцит» при спорудженні 1-го східного вентиляційного штреку (г. 1386 м) з очікуваним економічним ефектом 25,8 тис. грн на 1000 п.м; на ВАТ «Криворізький залізорудний комбінат» при прогнозуванні стійкості підошви виробок, пройдених в неоднорідному рудному масиві з економічним ефектом 250 тис. грн/рік на 1000 п.м.; на ОП «Шахта ім. Вахрушева» ДП «Ровенькиантрацит» при підготовці лави пласта h₁₀ східного крила з очікуваним економічним ефектом 245,8 тис. грн на 1000 п.м.; в навчальному процесі Національного гірничого університету при підготовці бакалаврів, спеціалістів і магістрів зі спеціальності «Шахтне і підземне будівництво» і науковій діяльності, включаючи підготовку магістрів і аспірантів.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульована наукова проблема, ідея, мета і завдання досліджень; виконаний аналіз з тематики роботи, обрані методи досліджень, розроблені або вдосконалені математичні моделі, програми лабораторних і шахтних досліджень. Автор брав безпосередню участь в лабораторних і шахтних дослідженнях, в розробці технічних рішень і впровадженні результатів у виробництво. Самостійно сформульовані наукові положення, висновки і рекомендації.

Апробація результатів дисертації. Основні положення, результати і зміст роботи докладалися на: міжнародних науково-технічних конференціях “Форум гірників” (Дніпропетровськ, НГУ, 2002-2006, 2008), “Підземне будівництво” (Польща, Краків, 2003), “Проблемы геомеханики и механики подземных сооружений” (Росія, Тула, 2003, 2006, 2008), “Сучасні інформаційні технології в гірничо-металургійній промисловості” (Крим, Алушта, 2004), “Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості” (Кривий Ріг, КТУ, 2004-2008), “Перспективи підземного будівництва в ХХІ сторіччі” (Дніпропетровськ, НГУ, 2004); міжнародних республіканських науково-практичних симпозіумах “Сучасні проблеми шахтного і підземного будівництва (Крим, Алушта, 2005, 2006), “Проблемы подземного строительства и направления развития тампонажа и закрепления горных пород“ (Антрацит, АФГТ ВНУ ім. В. Даля, 2006), міжнародних наукових читаннях з проблем гірничої справи і екології гірничого виробництва (Антрацит, АФГТ ВНУ ім. В.Даля, 2007); міжнародному колоквіумі ім. М.М. Протодьяконова “Проблеми геомеханіки, руйнування і міцності гірських порід“ (Дніпропетровськ, НГУ, 2008); III Міжнародній науково-практичній конференції “Перспективы развития Восточного Донбасса“ (Росія, Шахти, ШИ ЮРГТУ (НПІ), 2008); міжнародних науково-технічних конференціях молодих учених, аспірантів і студентів “Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений” (Донецьк, ДонНТУ, 2003-2008) і “Перспективы освоения подземного пространства“ (Дніпропетровськ, НГУ, 2007, 2008); регіональній науково-практичній школі-семінарі “Прогресивні технології будівництва, безпеки і реструктуризації гірничих підприємств” (Донецьк, 2003); конференції молодих учених “Геотехнічні проблеми розробки родовищ“ (Дніпропетровськ, ІГТМ НАН України, 2008).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи викладені в 73 наукових працях, зокрема в 49 статтях, опублікованих у фахових наукових виданнях і 24 статтях, опублікованих у збірниках конференцій.

Структура і об'єм роботи. Дисертація складається з вступу, семи розділів, висновку, списку використаних джерел з 426 найменувань на 37 сторінках і 9 додатків на 17 сторінках. Містить 300 сторінок машинописного тексту, зокрема 139 малюнків і 29 таблиць. Загальний обсяг роботи складає 426 сторінок.

Автор висловлює вдячність всім співробітникам, які брали участь в дослідженнях. Особлива подяка і вдячність науковому консультантові, доктору технічних наук, професору О.М. Шашенку за цінні ради, постійну увагу до роботи і допомогу на всіх етапах її виконання.

Основний зміст роботи

Перший розділ дисертації присвячений аналізу стану методологічного забезпечення системи геомоніторингу стосовно рішення проблеми безпеки гірничих робіт і підвищення стійкості протяжних виробок в умовах великих деформацій приконтурного породного масиву при їх будівництві та експлуатації.

На сучасних високопродуктивних гірничодобувних підприємствах, що здійснюють видобуток корисних копалин на глибоких горизонтах, проблема підвищення стійкості виробок, забезпечення безпеки гірничих робіт, а також ефективності і надійності функціонування всіх підсистем підприємства, може бути вирішена шляхом розробки і впровадження систем геомеханічного моніторингу (СГМ). Система геомоніторингу визначається як «автоматизована інформаційно-вимірювальна система безперервного контролю, діагностики і прогнозу напружено-деформованого стану геомеханічного простору, що здійснюють з метою підвищення рівня безпеки при експлуатації штучних споруд».

У структурі СГМ кожна група виробок, що експлуатується в конкретних гірничо-геологічних і гірничотехнічних умовах, повинна мати відповідний комплекс моделей, методів вирішення завдань, критеріїв стійкого стану, що дозволить ефективно і оперативно виконувати геомеханічну оцінку, прогноз і обґрунтування способів управління гірським тиском.

Методологічний підхід до забезпечення функціональної структури геомоніторингу може бути розглянутий на прикладі вирішення проблеми підвищення стійкості виробок, в умовах великих деформацій приконтурного масиву. При цьому як «великі деформації» розглядаються такі, що призводять до втрати виробками експлуатаційних функцій і необхідності виконання ремонтно-відновних робіт (перекріплювання, підривання підошви і т.п).

Вирішенню проблеми забезпечення стійкості виробок присвячені роботи багатьох учених і цілих колективів провідних вузів і науково-дослідних інститутів. В Україні найбільший внесок до її рішення внесли роботи Бабіюка Г.В., Бондаренка В.І., Виноградова В.В., Глушка В.Т., Дружка Є.Б., Друцка В.П., Заславського Ю.З., Зоріна А.М., Зборщика М.П., Касьяна М.М.. Коскова І.Г., Кошелєва К.В., Литвинського Г.Г., Максимова О.П., Назимка В.В., Новикової Л.В., Парчевського Л.Я., Петренка В.Д., Піньковського Г.С., Роєнка А.М., Сдвіжкової О.О., Усаченка Б.М., Халимендика Ю.М., Шашенка О.М. і багатьох інших. Проте, не дивлячись на значні досягнення, враховуючи масштаби, специфіку об'єкту досліджень і постійну зміну умов, актуальність цієї проблеми не знижується.

Як найбільш характерний прояв великих деформацій приконтурного масиву на глибоких горизонтах шахт може бути розглянуте здимання порід підошви. Само поняття «глибокі горизонти» не має на увазі будь-якої конкретної глибини. Комплексним показником, що характеризує ступінь складності умов розробки родовищ корисних копалини і визначає рівень «великих глибин» для конкретного регіону, є безрозмірне відношення и = R_c/гН, де R_c - міцність породного масиву на одноосний стиск, г - об'ємна вага порід, Н - глибина розробки. Оцінка умов розробки за показником и переконливо пояснює, чому виробки шахт Західного Донбасу, що розташовані на глибині 400-500 м знаходяться у більш складних умовах, ніж виробки шахт Центрального Донбасу на значно більшій глибині.

Аналіз стану виробок шахт України показав, що найбільш трудомісткими процесами при їх будівництві та експлуатації є заходи щодо боротьби зі здиманням порід. Не дивлячись на численні дослідження, здимання порід підошви є, до сьогоднішнього дня, одним з недостатньо вивчених явищ. Саме тому, в технічному плані добитися відчутних позитивних результатів до цих пір не вдалося. Однією з причин такої ситуації є те, що запропоновані математичні і фізичні моделі явища не повністю відображають реальний процес. Особливо наявним це стало з переходом гірничих робіт на великі глибини.

Другий розділ дисертації присвячений аналізу існуючих уявлень про природу великих статичних деформацій, фактори, що впливають, способи забезпечення стійкості виробок та обгрунтуванню адекватної фізичної моделі для умов, що призводять до її нестійкого стану (здиманню порід підошви).

Дослідженням здимання порід підошви займалися І.М. Белозовіч, В.М. Городнічев, А.В. Гурдус, Г.Г. Литвинський, Ю.З. Заславський, О.П. Максимов, А.М. Роєнко, В.Д. Слєсарєв, О.І. Целігоров, П.М. Цимбаревич, І.Л. Черняк, О.М. Шашенко, І.Н. Шейхет та інші. В даний час відома ціла низка гіпотез, по-різному пояснююча причину і механізм здимання порід підошви. Проте, розглядаючи весь діапазон можливих гірничо-геологічних і гірничотехнічних чинників, що визначають стан виробки в цілому і ймовірність здимання порід підошви, у кожному конкретному випадку необхідно визначати найбільш значущі впливаючі чинники і адекватний механізм поведінки масиву навколо виробки.

Аналіз факторів, що визначають можливість і величину здимання порід підошви показав, що основними слід рахувати ті, які визначають напружено-деформований стан масиву навколо виробки (вертикальну гН і горизонтальну лгН його складові) і його міцність (міцність порід на одноосьовий стиск R_с і розтягання R_р).

Розглядаючи умови, які призводять до утворення навколо виробки великих зон непружних деформацій, в роботах О.М. Шашенка здимання порід підошви розглянуте з позицій втрати пружнопластичної стійкості приконтурного масиву і запропонована біфуркаційна модель здимання. В результаті їм отриманий критерій здимання, що має вигляд:

, (1)

де - середнє значення відносного збільшення об'єму порід в межах ЗНД; - відносний критичний радіус області пластичних деформацій.

Вираз (1) визначає можливість переходу породного масиву навколо виробки з одного стійкого рівноважного стану в інше, що супроводжується здиманням порід підошви. Фізична суть рівняння (1) полягає в наступному. В процесі непружного розширення порід в замкнутому об'ємі з жорсткими зовнішніми розмірами (r = r_L) відбувається переміщення внутрішнього контура (r = 1). До тих пір, поки ці переміщення сягнуть деякої критичної величини, внутрішній контур зберігає первинну форму. Досягнувши ж критичних значень переміщень відбувається різка зміна форми внутрішньої границі, що супроводжується зменшенням рівня потенційної енергії в приконтурній зоні і великими переміщеннями на контурі виробки. У випадку, якщо ліва частина виразу (1) менше нуля, то у виробці відбудеться здимання порід підошви.

Важливою характеристикою біфуркаційної моделі є те, що здимання тут розглядається як результат загального деформаційного процесу навколо виробки, що призводить до формування ЗНД, а втрата стійкості приконтурного масиву у вигляді здимання - як найбільш ймовірна реалізація цього процесу після досягнення критичних розмірів ЗНД.

Третій розділ дисертації присвячений обґрунтуванню критерію переходу геомеханічної системи (моделі) у нестійкий стан.

Функція зв'язку між величинами, що входять в умову (1), в явному вигляді апроксимується відносно з високою точністю в межах реальних значень виразом:

. (2)

Добре обгрунтований з погляду механізму протікання процесу запропонований критерій не зовсім зручний, оскільки визначити розміри зони непружних деформацій в шахтних умовах практично неможливо. Зручнішим показником для оцінки стану виробки є зміщення породного контура, який легко можна виміряти в натурних умовах. Крім того, відоме рішення (1, 2) отримане тільки для умов гідростатичного розподілу зовнішніх навантажень.

Дослідження величини зміщень контура виробки за умови, що виконане на основі рішення задачі О.М. Шашенка, згідно якому координати області непружних деформацій є еліпсом:

(3)

де С₃ - деяка постійна, що визначається виразом

;

;

k - коефіцієнт критерію міцності, що визначається виразом ;

А і В - константи: , ;

ш = R_р /R_c - коефіцієнт крихкості порід,

- відповідно межі міцності зразків гірських порід на одноосне розтягування і стиск (); r_L - безрозмірний радіус ЗНД; k_ост = R_ост / R_c - коефіцієнт залишкової міцності; R_ост - залишкова міцність порід на одноосний стиск на контурі виробки, Р₀ - несуча здатність (відпір) кріплення.

Розглянемо відносні вертикальні зміщення контура виробки в підошві (уздовж осі Y) - U_у. Координата Y зовнішнього контура ЗНД з виразу (3) при Х = 0 буде дорівнювати:

. (4)

Відповідно до розрахункової схеми, зміщення контура виробки є результатом об'ємного розширення порід в ЗНД: U_y = (R_Ly - R_0y). Співвідношуючи всі величини до радіусу виробки R_0у, можна записати: . Приймаючи відповідно до виразу (4) r_Ly = Y, отримаємо:

. (5)

Нехтуючи відпором кріплення Р₀ і залишковою міцністю порід R_ост, за умови , отримаємо вираз для визначення зміщень контура виробки залежно від об'ємного розширення порід в ЗНД:

, (6)

де .

Проте предметом досліджень є такі зміщення контуру, що призводять до некерованого процесу здимання, суттєво впливаючи на технологічні процеси у виробці.

Багатьма дослідниками, що займалися проблемою здимання порід підошви виробок (Ю.З. Заславський, В.Т. Глушко, Зорін А.М., Черняк І.Л., Шестаков Г.П. і ін.), а також у деяких галузевих документах приймалася допустима (критична) величина зміщень порід, що не призводить до тяжких наслідків (або небезпечна, така, що викликає певні проблеми і великі витрати на підтримку виробок).

Аналіз різних джерел показав, що такою величиною може бути відношення зміщень контура до радіусу виробки u* = U/R₀ = 0,1.

Одержана залежність між відносним розширенням масиву та радіусом ЗНД, при величині прийнятих до розгляду відносних зміщень.

Апроксимуюча залежність, що призводить рішення (6) для и* до базового рішення для критичного радіусу ЗНД r_L* має вигляд:

. (7)

У остаточному вигляді залежність критичних зміщень, відповідна базовому рішенню (2) для критичного радіусу ЗНД має вигляд:

. (8)

Виконані дослідження дозволили зробити наступні висновки.

1. Вплив ступеня літогенезу порід, що оцінюється величиною ш, невеликий при малих глибинах розробки і міцних породах. Зі збільшенням глибини розробки і за наявності слабких вміщаючих порід геомеханічні параметри процесів істотно залежать від ступеня крихкості порід.

Таким чином, при подальшому збільшенні глибин розробки родовищ корисних копалини і погіршенні умов експлуатації врахування ступеня літогенезу порід дозволить істотно підвищити надійність прогнозування і забезпечення стійкості виробок.

2. При збільшенні коефіцієнта бічного розпору критичні зміщення, що призводять до втрати стійкості приконтурного масиву, збільшуються.

3. Критична величина зміщень контура при збільшенні показника умов розробки знижується, тобто при міцніших породах, а також зі збільшенням глибини розробки, втрата пружнопластичної стійкості може відбуватися при менших значеннях u* і, вочевидь, інтенсивніше - подібно до крихкого руйнування.

Четвертій розділ дисертації присвячений дослідженням кінетики зміни критеріальних параметрів геомеханічної моделі і встановлення часових меж стабілізації геомеханічних явищ.

Встановлений критерій и*, а також критична величина зони непружних деформацій r_L*, дають однозначну відповідь на питання чи можливе здимання порід в даних умовах і при яких значеннях критеріальних величин це відбудеться.

Для контролю стану виробки після її проведення, а також прогнозу ступеня стійкості, важливо знати закономірності зміни розмірів ЗНД і зміщень контура виробки в часі.

Геомеханічні процеси навколо виробки після її проведення розвиваються приблизно однаково.

Характерною є повна або відносна стабілізація деформаційних процесів навколо виробки через деякий час. При цьому утворюється область непружних деформацій певних розмірів, які забезпечують статичну рівновагу системи «масив-виробка-кріплення». Цей момент є оптимальним з погляду управління станом виробки.

Природної стабілізації деформаційних процесів, як правило, не відбувається, і незгасаючі зміщення породного контура продовжуються протягом тривалого часу.

Якщо кріплення не дозволяє зберегти стійкість виробки, то при досягненні деяких критичних зміщень контуру відбувається відносно швидкий перехід системи в новий рівноважний стан у вигляді здимання порід підошви або вивалоутворення.

Завданням досліджень на даному етапі було вивчення кінетики зміни параметрів геомеханічної моделі і встановлення часових меж стабілізації деформаційних процесів.

Для її вирішення був виконаний аналіз і обробка результатів шахтних вимірювань зміщень породного контура, отриманих науковими колективами під керівництвом Ю.З. Заславського, В.Т. Глушка, В.В. Виноградова і інших учених.

Як основний впливаючий чинник був прийнятий показник умов розробки и. Встановлено, що найближче зміщення контура виробки в часі описуються логарифмічною функцією.

Важливим чинником, що робить істотний вплив на величину зміщень контура виробок, є співвідношення вертикальних і горизонтальних напружень масиву гірських порід, тобто бічний розпір.

У розглянутих раніше дослідженнях, цей фактор не враховувався. Для його врахування прийнята залежність (8).

При цьому було встановлено, що результати, отримані за (8) і виміряні в шахтних умовах, а також значення величини зміщень, розрахованих за запропонованою логарифмічною залежністю, достатньо близькі. Це дозволило врахувати величину бічного розпору шляхом введення відповідних коефіцієнтів.

Врахування напрямку виробки відносно нашарування і кута нахилу порід прийнятий на підставі рекомендацій К.В. Кошелєва, Ю.А. Петренка і А.О. Новікова.

В остаточному вигляді залежність зміщень контура виробки від часу її експлуатації може бути записана у вигляді:

. (9)

де Т - час експлуатації ділянки виробки, з моменту його проведення, діб; а і б - коефіцієнти, що залежать від параметра и; с і d - змінні, що залежать від коефіцієнта л; k_н - коефіцієнт, що враховує напрям виробки у відношенні до простягання порід і кут нахилу пластів.

Отримана залежність величини зміщень контура виробки (для Т = 3 роки) добре описує зміщення, що характеризуються як «малі», так і «великі», а також діапазони величин показника гН/R_c, що визначають ці категорії умов розробки. вугільний геомеханічний шахта порода

Результати шахтних вимірювань показують, що не дивлячись на тривалість деформаційних процесів, викликаних проведенням виробки, формування зони зруйнованих порід, основні зміщення і відносна їх стабілізація відбувається протягом місяця-двох.

Після явної стабілізації геомеханічних процесів, невеликі зміщення контура можуть продовжуватися тривалий час. Ці деформації можна пояснити деяким зниженням міцності приконтурних порід під дією шахтної атмосфери, вологості, коливань температур, впливом очисних робіт.

Графіки зміщень контура виробки можуть бути подані у вигляді двох ділянок - першої, що описує інтенсивний характер розвитку деформацій масиву, який закінчується відносною стабілізацією процесу, і другої, що описує тривалі деформації породного масиву.

Ці ділянки були апроксимовані лінійними залежностями так, щоб вони максимально близько «вписувалися» в первинну логарифмічну криву. Було встановлено, що найбільша достовірність апроксимації для початкової і кінцевої ділянок кривої досягається при часі Т = 57 сут.

Цей час від моменту проведення виробки можна вважати «точкою стабілізації» геомеханічних процесів, пов'язаних з утворенням навколо виробки своєрідної демпферної зони - зони непружних деформацій таких розмірів, які при відповідних параметрах кріплення і способах охорони можуть забезпечити тривалу стійкість виробки.

Область зруйнованих і деформованих порід навколо виробки може досягати значних розмірів.

При цьому НДС порід на контурі, в межах ЗНД і на її границі різні, що зумовлює різний ступінь деформації порід і зміщень. Тому питання дослідження зміщень порід в масиві за глибиною, що визначають їх величину на контурі виробки і ефективні способи їх зниження, є достатньо актуальним.

Аналіз і обробка результатів отриманих багатьма дослідниками із застосуванням глибинних реперних станцій дозволили встановити залежність зміщень пород від контуру виробки в глибину масиву:

, (10)

де - відносна відстань до вимірюваної точки масиву, L - зміщення точки масиву, м; R₀ - радіус виробки, м.

Використовуючи отриману залежність на основі підходу І.Д. Джанджгави і А. Салустовича визначені відповідні радіальні і тангенціальні деформації.

Знаючи критичні радіальні деформації порід при розтягуванні, як факту руйнування порід, була визначена зона тріщинуватості. Так, для порід Донбасу ця зона розповсюджується на глибину L_р = 1,5…2,0 м від контура виробки.

В рамках завдань, що вирішувалися, являє інтерес питання щодо можливої величини радіусу зони непружних деформацій.

Низка аналітичних досліджень (Ю.М. Ліберман, В.Я. Кириченко, Г.Т. Рубець) дають вельми великі розміри цієї зони при мінімальному відпорі кріплення з урахуванням рівномірного розпушування порід по контуру, що не відповідає натурним вимірам цієї величини.

Експерименти свідчать, що відносний радіус зони непружних деформацій становить r_L 3 і є граничним між двома станами породного масиву навколо виробки - стійким (r_L < 3) і нестійким (r_L > 3).

Як показує досвід підтримки виробок, при r_L > 3 відбувається втрата їх стійкого стану у вигляді здимання або вивалоутворенyя, тобто процесів, локальних за зоною їх прояву, але такими, що є результатом загального деформаційного процесу в масиві, навколо виробки.

Біфуркаційна модель здимання, що розглядається, пояснює це явище втратою пружнопластичної стійкості породного масиву навколо виробки. При максимальних коефіцієнтах розпушування порід заміряних в шахтних умовах К_р = 1,1…1,15 ( = 0,1…0,15), максимальні відносні розміри зони непружних деформацій навколо виробки складають 3,1…3,5, що достатньо близько збігається з результатами натурних вимірів.

Виконаний комплекс досліджень дозволив зробити наступні висновки.

1. Зміщення контура виробки мають логарифмічну залежність від терміну її експлуатації, а основним фактором, що визначає їх величину є показник умов розробки и, при значеннях якого и < 3,0 інтенсивність і величина зміщень контура відповідає нестійкому стану приконтурного масиву порід, що дозволяє обґрунтовано і своєчасно планувати заходи щодо забезпечення експлуатаційного стану виробки.

2. Деформаційній процес у масиві навколо виробки після її проведення, може бути поданим у вигляді двох етапів - першого, що характеризує велику швидкість зміщень контура і деформації породного масиву і другого - для якого характерні невеликі зміщення і деформації, що розвиваються повільно.

3. В межах ЗНД може бути виділена область приконтурного масиву розміром 1,5…2,5 м, якій відповідає близько 90 % зміщень порід і, впливаючи на яку можна управляти станом виробки.

П'ятій розділ дисертації присвячений дослідженням параметрів управління геомеханічними (деформаційними) процесами навколо протяжної виробки.

Як було встановлено вище, управляючими параметрами, що входять в критерії стійкості протяжних виробок є відносне середнє значення об'ємного розпушування вміщаючих порід - і відносний радіус області пластичних деформацій - r_L. Їх добуток пропорційний величині непружних зміщень на контурі виробки - и.

Виходячи з цього, забезпечити стійкий стан виробки, попередити можливе здимання, як результату формування ЗНД великих розмірів, можна: зменшуючи величину ЗНД r_L; зменшуючи величину об'ємного розширення порід ; обмежуючи зміщення контуру виробки и.

У будь-якому випадку, управління геомеханічними процесами в масиві, що оточує виробку, повинне виконуватися у виробці після її проведення зведенням кріплення відповідної несущої здатності і податливості в комплексі з різними заходами щодо зміцнення масиву, збереження його залишкової міцності, попередження небезпечних зміщень породного контура.

Як показали виконані аналітичні дослідження, відпір кріплення практично не впливає на розмір ЗНД. Тому, коли йдеться про несуттєвий вплив відпору кріплення на розміри ЗНД і зневагу цією величиною, прийняті в аналітичних дослідженнях припущення цілком прийнятні і практично не впливають на кінцевий результат. Ці висновки справедливі і для зміщень породного контура, але тільки для умов, коли не відбуваються позамежна деформація і розпушування порід.

Проте, зменшити радіус ЗНД і, тим самим, підвищити стійкість виробки можна шляхом збільшення міцності приконтурного масиву. Для цього можна провести його попереднє зміцнення в'яжучими речовинами або анкерами, провести ізоляцію бокових порід, що перешкоджає контакту з рудничною атмосферою і порушенню їх природної водонасиченості, попереджаючи їх розмокання і втрату міцності.

Результати лабораторних досліджень, виконані Бабіюком Г.В., Виноградовим В.В., Ставрогіним О.М. і ін., а також низка шахтних експериментів показали істотний вплив відпору кріплення (бічного підпору) на зниження ступеня деформацій при контурного шару порід.

З метою визначення ступеня впливу несучої здатності кріплення на деформацію приконтурного масиву порід були виконані дослідження на шахті «Алмазна» ДХК «Добропіллявугілля» у виробках, що знаходяться поза зоною впливу очисних робіт. Опір кріплення на експериментальних ділянках регулювався за допомогою встановлення гідростояків ГСК під верхняки рам. Відпір кріплення змінювався від 60 до 240 кПа. Ступінь впливу несучої здатності кріплення, оцінювався за характером деформації порід, навколо виробки, з допомогою контурних і глибинних реперів. У виробці було обладнано 4 ділянки з різним відпором кріплення і контрольна ділянка. Виконані експерименти показали, що збільшення несучої здатності кріплення до 240 кПа зменшило зміщення на контурі виробки майже в 5 разів.

Визначення залежності об'ємного розпушування масиву від відпору кріплення проводилося за результатами вімірів зміщень порід в межах метрового шару.

Величина об'ємного розширення порід покрівлі між парою суміжних реперів, що розглядаються і мають номери (n-1) і n визначалася за формулою:

, (11)

де - абсолютні зміщення реперів, що розглядаються, на момент поточного виміру N; - абсолютні зміщення реперів, що розглядаються, на момент попереднього виміру (N - 1); h_n - базова відстань між реперами.

Експериментальні дані добре описуються рівнянням гіперболи:

, (12)

де а і b - параметри апроксимації.

В остаточному вигляді залежність для визначення зміщень порід контуру виробки з урахуванням впливу несучої здатності кріплення, на об'ємні деформації приконтурного масиву порід запишеться у вигляді:

. (13)

де k_c - коефіцієнт структурного послаблення породного масиву.

Необхідність визначення параметрів кріплення вимагає обгрунтування відповідної розрахункової схеми. Тиск на кріплення виробки може бути заданий двома складовими: перша визначається зміщеннями масиву порід - q₁; друга складається вагою обрушених порід в межах ЗНД - q₂. Така схема розглядалася багатьма дослідниками.

Деякі уявлення припускають, що склепіння обвалення обмежене лише зоною підвищеної тріщинуватості приконтурного масиву, а навантаження на кріплення q₂ чисельно дорівнює вазі порід вивалів.

Проте обробка великого об'єму даних щодо вивалів на шахтах показала, що в Центральному Донбасі радіус вивалу відповідає радіусу ЗНД, а в Західному Донбасі навіть перевищує цей розмір.

Це дозволило переглянути існуючі уявлення про механізм формування вивалу і стосовно умов утворення навколо виробки значних зон деформованих порід і відсутності достатнього відпору кріплення, запропонувати наступний механізм формування вивалу (табл. 1). У даних умовах вивал формується поетапно і має радіус такий, що дорівнює або більший радіусу зони непружних деформацій.

Можливості кріплення при управлінні деформаційними процесами в приконтурному масиві порід показують наступні результати шахтних досліджень. На експериментальних ділянках з різним відпором кріплення фіксувалися зміщення порід на контурі і в глибині масиву. В результаті були встановлені межі впливу несучої здатності кріплення на деформації в глибину масиву.

При цьому зроблено припущення про можливу лінійну залежність деформації порід від глибини між межами зон непружних деформацій і зруйнованих порід. Екстраполюючи цю залежність на контур виробки можна отримати необхідний опір кріплення для максимального обмеження зміщень порід.

Проте, така схема не є оптимальною, оскільки при незначній податливості, на кріплення виробки діють значні зусилля, які можуть призводити до руйнування навіть дуже міцної конструкції.

Другий несприятливий випадок можливий при мінімальному відпорі кріплення. В цьому випадку виникає велика вірогідність утворення вивалу з боку покрівлі. Дана схема розглядається як найбільш несприятлива для роботи кріплення. Оптимальних параметрів кріплення можна добитися, застосовуючи обмежено податливі конструкції, що мають високу несучу здатність.

Результати виконаних досліджень дозволили зробити наступні висновки.

1. Ефект від підвищення відпору кріплення тим вищий, чим більше зона непружних деформацій навколо виробки, і, у зв'язку з цим, більше зона зруйнованих порід у контуру виробки і ступінь їх розпушення.

2. Для несприятливих умов розробки (r_L > 3) найбільший ефект досягається при збільшенні несучої здатності кріплення до 120-150 кПа. Подальше збільшення відпору кріпленя не призводить до істотного зниження зміщень порід. Проте при цьому значно збільшується вартість кріплення і способів охорони виробки.

3. Механізм управління станом масиву навколо гірничих виробок в умовах можливого здимання повинен бути пов'язаний з механізмом деформації приконтурної зони порід і заснований на попередженні руйнування контура виробки, якщо цього можна досягти застосуванням кріплення з високою несучою здатністю, або ж зниженні їх розпушування і зміщень за допомогою кріплення з високою несучою здатністю, при обмеженій податливості.

Шостій розділ дисертації присвячений розробці способів забезпечення стійкості протяжних виробок в умовах очікуваних великих статичних деформацій для різних геомеханічних і гірничотехнічних умов експлуатації.

Вибір параметрів кріплення для забезпечення стійкого стану виробки може бути здійснений на основі різних підходів.

Перший припускає максимально швидке введення кріплення в роботу і застосування жорстких конструкцій кріплення. Недолік цього підходу полягає в тому, що область забезпечення стійкого рівноважного стану масиву визначається дуже вузьким діапазоном допустимих значень деформацій при високому рівні потенційної енергії системи «породний масив-кріплення-виробка».

Такий стан визначається як нестійка рівновага. Незначні зміни параметрів впливаючих факторів можуть призвести до неприпустимих значень деформацій, що викликають важкі або катастрофічні наслідки.

Виробки глибоких шахт працюють при високому рівні напруженого стану. Для цих умов прийнятніший інший підхід - зниження рівня потенційної енергії масиву навколо виробки за рахунок реалізації деформаційних процесів при контрольованому управлінні з боку кріплення.

Недолік цього підходу полягає у формуванні навколо виробки зони зруйнованих порід. Позитивним чинником є те, що в цьому випадку діапазон допустимих значень зміщень порід досить великий, при істотно меншій величині напружень. Такий стан системи є більш стійким і, в умовах високої невизначеності впливаючих факторів, більш відповідним для забезпечення безпеки гірничих робіт в умовах глибоких шахт.

Ідея концепції управління геомеханічними процесами полягає в урахуванні закономірностей їх протікання і застосуванні на кожному етапі будівництва та експлуатації виробки відповідних способів забезпечення стійкості, що допускають формування демпферної зони для розвантаження приконтурного масиву порід від підвищених напружень і, з урахуванням встановлених критеріїв та закономірностей, запобігають надмірному розвитку зони зруйнованих порід і зміщенням породного контура, що призводить до втрати стійкості масиву.

У всіх випадках обов'язковими умовами виконання всіх технологічних заходів повинні бути наступні.

- породний масив навколо виробки, відразу ж після оголення необхідно включати в роботу системи «масив-виробка-кріплення»;

- при установці несучої конструкції повинен бути забезпечений рівномірний щільний контакт кріплення і породного контура;

- підвищений відпір породам навколо виробки необхідно забезпечувати технічними засобами, що мають малу матеріаломісткість, вартість і високі силові характеристики (анкери, податливе забутовування, рукави «Буллфлекс» і ін.);

- способи забезпечення стійкості виробки повинні за максимумом використовувати несучу здатність приконтурного масиву, шляхом підвищення ефективності відпору самого кріплення і використання засобів підсилення;

- конструкція кріплення або застосування засобів підсилення повинні враховувати негативний вплив несиметричного навантаження.

Прикладом реалізації одного з напрямків є запропонований спосіб підвищення стійкості виробки в породах підошви, що здимаються, за рахунок попередження критичних зміщень приконтурної області масиву.

Відмінною особливістю його є установка в підошві здвоєних анкерів, виготовлених з тросу, кінці яких, що встановлюються в центральній частині, мають довжину значно більшу довжини основних. Їх установка проводиться із зміщенням на пів кроку, що збільшує щільність анкерування центральної частини виробки в 2 рази. Несуча здатність підошви, при такій конструкції анкерів, збільшується ще й за рахунок включення механізму заклинювання. Обгрунтування параметрів способу (довжина і кількість анкерів, ступінь їх впливу на деформації порід підошви) проводилося методом моделювання на еквівалентних матеріалах.

Реалізацією іншого напрямку концепції є спосіб забезпечення стійкості капітальних виробок. Суть способу полягає у використанні в жорсткому кріпленні податливого шару, для компенсації зміщень породного контура, що відбуваються на початковому етапі спорудженя виробки.

При цьому різко знижуються напруження на контурі порід, що дозволяє попередити деформації і руйнування кріплення. Дослідження впливу товщини податливого забутовування проводилося за допомогою чисельного моделювання на основі методу скінчених елементів. Чисельна процедура виконувалася з використанням розробленого на кафедрі будівництва і геомеханіки НГУ алгоритму, який враховує позамежну деформацію порід.

За результатами розрахунку визначалися величини напружень і зміщень на контурі виробки, розмір ЗНД. В результаті виконаних досліджень встановлено, що застосування податливого забутовування товщиною 300 мм знижує величину вертикального тиску на кріплення в 3,5 рази, горизонтального в 2,5.

У найбільш складних геомеханічних умовах можлива ситуація, коли суттєвої стабілізації деформаційних процесів у виробці не відбувається. Тобто, величина зміщень в короткі терміни сягає критичних значень, що призводить до здимання або вивалоутвореня.

В цьому випадку ефективним способом може бути застосування податливого анкерного кріплення, що встановлюється відразу після проведення виробки. Це дозволить підвищити міцність масиву в приконтурной частині за рахунок їх армування і обмежить зміщення контуру виробки.