Обґрунтування параметрів рамно-анкерного кріплення підготовчих виробок в умовах вугільних шахт ДХК "Шахтарськантрацит"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обґрунтування параметрів рамно-анкерного кріплення підготовчих виробок в умовах вугільних шахт ДХК «Шахтарськантрацит»

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Збільшення глибини розробки вугільних родовищ Донбасу та пов'язане з цим значне погіршення гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов приводить до зниження стійкості капітальних і підготовчих виробок шахт. Особливо важке становище складається у відношенні вентиляційних і відкаточних підготовчих виробок, які технологічно варто використовувати вдруге. Це дозволить зберегти дефіцитні кріпильні матеріали, знизити трудовитрати на підготовку нових лав і, як наслідок, зменшити собівартість вугілля, що видобувається. Таким чином забезпечення стійкості підготовчих виробок є однією з важливих народногосподарських проблем.

У цьому зв'язку розробка нових способів кріплення підготовчих виробок, які експлуатуються в умовах впливу очисних робіт, та розробка розрахункових методик для обґрунтування його параметрів є актуальною задачею, що має важливе наукове і практичне значення, вирішенню якої й присвячена дисертація.

Робота виконана відповідно до програми науково-дослідних робіт Національної гірничої академії України з держбюджетної тематики ГП-233 «Установлення закономірностей гірського тиску в підготовчих виробках вугільних шахт, що знаходяться в зоні впливу очисних робіт» (№ держреєстрації 0198U005339).

Ціль досліджень полягає в обґрунтуванні параметрів рамно-анкерного кріплення підготовчих виробок в умовах вугільних шахт ДХК «Шахтарськантрацит».

Основна ідея роботи полягає у використанні закономірностей прояву гірського тиску в підготовчих виробках, розташованих у зоні впливу очисних робіт, для обґрунтування параметрів рамно-анкерного кріплення.

Об'єктом досліджень є стійкість протяжної виробки вугільної шахти, проведеної в неоднорідному породному середовищі.

Предметом досліджень є металева арка кріплення, яка взаємодіє з породним контуром виробки.

Методи досліджень. Поставлена в дисертаційній роботі ціль досягнута шляхом застосування методів комплексного аналізу й узагальнення літературних даних і досвіду по дослідженню стійкості гірських виробок, аналітичних, лабораторних і натурних досліджень із залученням методів будівельної механіки, теорії подоби і розмірностей, теорії ймовірностей і статистики, механіки суцільного середовища.

Основні наукові положення, що захищаються в дисертації:

в умовах шахт ДХК «Шахтарськантрацит» кут несиметрії навантаження на металеве аркове кріплення підготовчих виробок змінюється при переміщенні вибою лави від максимального до мінімального значення за нелінійним степеневим законом, що дозволяє розробити принципи керування стійкістю виробок;

максимальна несуча здатність металевого аркового кріплення підготовчих виробок досягається установкою анкера, жорстко зв'язаного з аркою, у точці, що відповідає прикладанню результуючого вектора зовнішнього навантаження і спрямованого уздовж лінії його дії, що дозволяє знизити рівень напруг у кріпленні в 1,5…2 рази.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується коректністю поставлених задач, використанням апробованих методів механіки суцільного середовища, статистики і теорії ймовірностей; задовільною (до 10…18%) збіжністю результатів аналітичних і натурних досліджень; адекватністю розроблених математичних моделей; результатами позитивного використання розробок у виробках шахт ДХК «Шахтарськантрацит».

Наукове значення виконаних досліджень полягає в наступному:

установлені стосовно до гірничо-геологічних умов шахт ДХК «Шахтарськантрацит» закономірності формування навантаження на аркове металеве кріплення підготовчих виробок, що дозволило розробити спосіб підвищення його стійкості;

визначена залежність величини кута прикладання несиметричного зовнішнього навантаження на арку кріплення від відстані до вибою лави, яка рухається, що дозволило прогнозувати величину вектора навантаження і точку його прикладання до контуру кріплення;

доведено, що максимальна стійкість металевого аркового кріплення забезпечується шляхом прикладання реактивного зусилля в точці, яка відповідає найбільшому куту прикладання несиметричного зовнішнього навантаження, що дозволяє підвищити стійкість підготовчих виробок.

Практичне значення роботи полягає в розробці рекомендацій із кріплення підготовчих виробок шахт ДХК «Шахтарськантрацит» у зоні впливу очисних робіт, які відрізняються від існуючих урахуванням геомеханічних особливостей формування навантаження на металеві рами.

Реалізація результатів досліджень. Результати досліджень реалізовані при кріпленні відкаточного штреку 12-ї східної лави пласту k₃ гор. 460 м шахти ім. XVII партз'їзду і прийняті до використання на інших шахтах ДХК «Шахтарськантрацит».

Особистий внесок автора полягає в розробці ідеї підвищення стійкості підготовчих виробок, розташованих у зоні впливу очисних робіт, постановці задач і виборі методів досліджень стійкості підготовчих виробок, у виконанні натурних, лабораторних і аналітичних досліджень, видачі практичних рекомендацій з вибору і коректування параметрів кріплення гірничої виробки, які відповідають геомеханічним умовам її використання.

Апробація результатів досліджень. Основні положення дисертаційної роботи повідомлені, обговорені і схвалені на засіданні науково-технічної ради ДХК «Шахтарськантрацит» у 2000 р., на засіданнях кафедри будівництва шахт і підземних споруд НГА України (1996…2000 р.р.), на міжнародних симпозіумах «Неделя горняка» - 99 (м. Москва) та «Mine Planning and Equipment Selection & Environmental and Economical Issues-99» (м. Дніпропетровськ), а також на галузевій науково-технічній конференції «Проблеми створення нових машин і технологій-2000 (секція «Фізичні процеси гірничого виробництва»)» (м. Кременчук).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 10 наукових праць, у тому числі 7 - у спеціалізованих виданнях, 1 - у матеріалах науково-технічної конференції, 2 - у матеріалах міжнародних симпозіумів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з введення, 5 розділів, висновків і додатків. Вона викладена на сторінках машинописного тексту, містить 8 таблиць і 49 рисунків, перелік посилань на літературні джерела з 123 найменувань.

Основний зміст роботи

гірський вугільний шахта анкерний

До кінця ХХ-го сторіччя істотно змінилася структура паливно-енергетичного балансу світового співтовариства - якщо в першій половині значно переважало вугілля, то в останні десятиліття вже на частку нафти і газу приходиться 3/5 обсягу енергоспоживання. Однак, прогнозується, що на початку ХХІ століття їх частка буде поступово знижуватися при одночасному збереженні рівня споживання вугілля.

Особливо актуальним це залишається для України, яка має досить потужний паливно-енергетичний комплекс. Єдиною галуззю ПЕК, що при відповідному розвитку може цілком задовольнити потребу в паливі всього народного господарства, комунально-побутових споживачів і населення країни за рахунок власних ресурсів, є вугільна промисловість.

Вугільна промисловість України - це одна з базових галузей народного господарства, що поставляє свою продукцію для потреб електроенергетики - 38%, коксохімічного виробництва - 22%, населення - 11%, комунально-побутового господарства - 3% та інших споживачів - 26%.

На рис. 1. приведена динаміка зміни основних показників Минпаливенерго України за останні 5 років, з якого очевидно, що видобуток вугілля після відомих кризових явищ в економіці України стабілізувався і в 2000 році склав 80,3 млн. тонн. Однак це, приблизно, 35% від видобутку, якого було досягнуто у 1976 році - 218 млн. тонн. За ці роки погіршувалася якість вугілля, знизилася продуктивність праці.

Приблизно така ж ситуація склалася і на шахтах ДХК «Шахтарськантрацит», як випливає з діаграм на рис. 2. До складу холдингу входять 6 самостійних шахт і два шахтоуправління, що розробляють вугільні шари в приблизно однакових гірничо-геологічних умовах: середня глибина - 660 м, кут падіння 22…30⁰, потужність шарів антрациту, що відпрацьовуються, - 1,2…1,6 м.

Як видно з рис. 2., у даний час робота холдингу в цілому стабілізувалася і тепер необхідні відповідні інженерні й управлінські рішення для збільшення видобутку вугілля і зниження його вартості.

Однією з істотних причин, що стримують зростання виробництва на шахтах холдингу, є відставання в підготовці нових очисних вибоїв, що є наслідком незадовільного стану підготовчих виробок. Ця обставина відображена на рис. 3., де показане зростання кількості прохідників, зайнятих на ремонті виробок. З нього випливає, що в дний час до 10% підземних робітників зайняті на виконанні трудомістких ремонтних робіт і є тенденція до збільшення їх числа при одначасному зменшенні очисних вибоїв і скороченні довжини підготовчих виробок. Усе це сказується на собівартості вугілля, що добувається. Таким чином, зниження трудовитрат на ремонт підготовчих виробок і підвищення їх стійкості є важливою народногосподарською проблемою, що вимагає наукового й інженерного рішення, чому й присвячена ця дисертація.

Основні задачі досліджень полягають у наступному:

збір, обробка й аналіз виробничої діяльності шахт ДХК «Шахтарськантрацит» і Минпаливенерго в цілому;

аналіз інформаційних джерел в області вивчення стійкості підготовчих виробок, на які впливає очисний простір лави;

вибір об'єктів дослідження в натурних умовах;

установка замірних станцій, знімання й обробка результатів вимірів;

виконання лабораторних досліджень поведінки кріплення підготовчих виробок на моделях з еквівалентних матеріалів;

виконання теоретичних досліджень поведінки металевого рамно-анкерного кріплення в умовах несиметричного навантаження;

перевірка параметрів рамно-анкерного кріплення, яке рекомендується, у промислових умовах.

Аналіз основних схем підтримки підготовчих виробок для шахт України показав, що основний обсяг застосування способів підтримки виробок без залишення ціликів вугілля приходиться на системи розробки зі збереженням штреків за лавою з метою їх повторного використання. При цьому найбільша довжина виробок, які знаходяться в незадовільному стані приходиться саме на ці виробки, що ще раз підтверджує актуальність даних досліджень.

Аналіз літературних джерел показав, що в області дослідження стійкості підготовчих виробок, розташованих у зоні впливу лави, виконана велика кількість робіт. Особливо значні роботи виконані під керівництвом Г.В. Бабіюка, І.В. Баклашова, В.І. Бондаренка, В.В. Виноградова, Ю.З. Заславського, А.М. Зоріна, С.Я.Іванчішина, К.В. Кошелєва, Г.Г. Литвинського, Л.В. Новикової, Л.Я. Парчевського, К.В. Руппенейта, О.В. Солодянкіна, Б.М. Усаченка й ін.

Об'єктами досліджень були обрані підготовчі виробки шахтоуправління ім. XVII партз'їзду, як найбільш характерні для холдингу в геологічному і гірничотехнічному відношенні.

Замірні станції з визначення зміни форми і розмірів кріпильних рам під впливом експлуатаційних навантажень були встановлені в західному дренажному штреці і 10-му західному відкаточному штреці 11-ї західної лави пл. k₃, а також у 15-му східному конвеєрному штреці 15-ї східної лави пл. k₂.

Улаштування замірних станцій у виробках полягало у виконанні насічок на внутрішній поверхні рам, місце розташування яких у кожен момент часу визначалося шляхом зміни відповідних висот, променів і кутів, як це показано на рис. 4. Для проведення вимірів протягом дослідних ділянок обох виробок пласту k₃ через кожні 20 м були закладені 22 і 41 станції відповідно, всього - 63 станції-пікета. Як вимірювальні інструменти використовувалися маркшейдерська рулетка і транспортир. При цьому щораз фіксувалася відстань до лави, що наближається до визначеного перетину. Початковий вимір проводився тоді, коли досліджуваний перетин знаходилося поза зоною впливу лави, останній - після відходу лави на достатню відстань.

Виміри проводилися з травня 1998 року по грудень 1999 року з інтервалом у 7 днів.

На рис. 5. наведені результати зміни висоти західного дренажного штреку на пікетах 0…24 у залежності від відстані до лави.

Дослідження дозволили установити вплив лави на стан кріпильних рам: процес починається за 60…80 м перед підходом лави до пікету і завершується після відходу лави на 60…80 м. При цьому величина зсуву контуру виробки сягає 500…700 мм. На рис. 6. показані характерні зміни контуру виробки на пікеті №8. З нього видно, що в зоні впливу лави арки викривляються в бік, протилежний від лави, що свідчить про перевагу навантаження з боку лави.

Надалі необхідно було визначити напрямок цього навантаження і характер його зміни в часі.

Такі виміри були виконані в 15-му східному конвеєрному штреці пл. k₂. Тут був застосований розроблений на кафедрі будівельних геотехнологій і конструкцій НГА України експериментально-аналітичний метод. Суть його полягає в тому, що по внутрішньому контуру металевої арки, що знаходиться поза зоною впливу лави, наносять за допомогою керна систему насічок. У кожній із точок за допомогою кривизноміра робили виміри кривизни з інтервалом 7 днів за всіма 41 замірними станціями.

Величина вигинаючого моменту в і-й точці визначається за наступною формулою:

(1)

де b - половина бази кривизноміра (b =50 мм); EI - жорсткість профілю арки; ₀, _і - відповідні показання індикатора в і-тій точці, первісні і наступні

На рис. 7. приведено характерні епюри згинальних моментів, отримані в результаті обробки вимірів до підходу лави і після її відходу.

Величина вигинаючого моменту для другого випадку визначається за формулами:

для 0

(2)

для

(3)

Маючи отримані з експериментів значення вигинаючих моментів, за вищенаведеними формулами можна обчислити величину і напрямок результуючого зусилля по мірі просування лави. Для цих цілей з використанням програмних засобів МathCAD була розроблена спеціальна обчислювальна програма. З її допомогою були оброблені результати вимірів і на рис. 9. показаний характер зміни кута додатка результуючої сили до арки в зоні впливу лави.

З використанням методів статистичної ідентифікації було встановлено, що найкращою для його опису є степенева функція наступного виду:

.

При цьому похибка обчислень складає 9,26%.Таким чином, величина кута додатка зосередженої сили складає 90⁰±6,3⁰ до підходу лави і 6,8⁰±6,3⁰ - після проходу лави.

а) несиметричним розподіленим навантаженням; б) зосередженою силою

Таким чином було доведено, що в гірничо-геологічних умовах шахт ДХК «Шахтарськантрацит» кут несиметрії зовнішнього навантаження при переміщенні вибою лави змінюється від максимального значення до мінімального по нелінійному степеневому закону, що дозволяє розробити принцип керування стійкістю виробки.

Огляд досліджень, виконаних стосовно підвищення стійкості кріплення підготовчих виробок, а також виконані натурні виміри показали, що в умовах несиметричного зовнішнього навантаження металеві арки працюють у 2…4 рази гірше, ніж при симетричному. Таким чином, необхідно прикласти деяке зусилля, чи сукупність зусиль, спрямованих у бік вектора зовнішнього навантаження, після чого несуча здатність кріплення виростає щонайменше в 2 рази. Таке зусилля можна створити за допомогою анкера, жорстко зв'язаного з аркою. При цьому можна запропонувати дві можливі схеми установки одного чи двох анкерів, а зусилля, яке створюється анкером, можна розрахувати, наприклад, за формулою Б.М. Усаченка:

.

Для перевірки прийнятих припущень були виконані лабораторні експерименти на моделях з еквівалентних матеріалів на основі песчано-парафино-графитових сумішей. Масштаб моделювання був прийнятий 1:100. Основні параметри еквівалентних сумішей для моделювання наведені в табл.

Основні фізико-механічні параметри моделюємого породного масиву з еквівалентного матеріалу

	Основні характеристики матеріалу	Натури	Моделі	Коефіцієнт варіації для матеріалу моделі
1	Межа міцності на одновісьове стиснення, МПа	20	0,11…0,16	0,08
2	Модуль пружності, МПа	1,5·104	(0,012…0,008)·104	0,12
3	Об'ємна маса, т/м3	2,65	2,12…1,6	0,08
4	Коефіцієнт Пуассона	0,25	0,25	0,09

гірський вугільний шахта анкерний

Дослідження проводилися шляхом вимірів діагоналей квадратів попередньо нанесеної мірної сітки до і після відповідного навантаження. Мінімальна кількість іспитів для кожного варіанта моделі була прийнята рівною 3. Усього було випробувано 22 моделі. На рис. 11. показані результуючі графікі вертикальних і горизонтальних зсувів контуру вироблення за всіма варіантами, що моделювалися. З них очевидно, що характер кривих 5 і 6, які відповідають варіантам посилення стійки кріплення додатковим сегментам у сполученні з анкером залишається лінійним за всим діапазоном навантажень, які задаються, і дозволяє зменшити зсуви контуру виробок в порівнянні з базовим варіантом приблизно вдвічі.

Виконані дослідження дозволили установити, що несуча здатність металевого аркового кріплення збільшується в 2…2,5 рази шляхом установки жорстко пов'язаного з нею анкера під кутом і в напрямку дії результуючого вектора зовнішнього навантаження, що дозволяє знизити витрати на ремонт підготовчих виробок.

На основі натурних і лабораторних досліджень були розроблені відповідні розрахункові схеми і зроблені теоретичні дослідження несучої здатності аркового металевого кріплення. Розрахунки виконувалися з застосуванням загальноприйнятих методів будівельної механіки.

Доведено, що в міру збільшення кута прикладання анкера епюра моментів стає симетричнішою, а їх абсолютні значення - менше. У результаті розрахунків були отримані результуючі графіки для кожної зі схем встановлення анкерів, які моделювалися.

З усіх розглянутих схем переважнішим за отриманим ефектом і мінімуму трудомісткості є варіант з установкою одного анкера в напрямку дії результуючого вектора зовнішнього навантаження. Для посилення цього ефекту рекомендується також підсилити додатковим елементом стояк кріплення з боку лави і «жорстко» зв'язати технологічним, додатковим, анкером протилежну стійку з породним масивом.

Цей варіант був реалізований у тих же виробках, де проводилися виміри з деформування кріплення по мірі наближення лави. Вимірювання величини вигинаючих моментів на контрольних і експериментальних ділянках у всіх випадках показало, що запропоноване технічне рішення дозволяє підвищити несучу здатність кріплення в 1,8…2,6 рази. Ця пропозиція розглянута техрадою і рекомендована для широкого застосування на шахтах холдингу.

Висновки

Дисертація є завершеною науково-дослідницькою роботою, у якій на основі вперше встановлених для умов шахт ДХК «Шахтарськантрацит» закономірностей деформування металевого аркового кріплення отримане нове рішення актуальної науково-технічної задачі, що полягає в обґрунтуванні способу підвищення стійкості підготовчих виробок, на які впливає очисний простір лави.

Основні наукові і практичні результати роботи полягають у наступному:

Виконано аналіз виробничої діяльності шахт ДХК «Шахтарськантрацит», що дозволило визначити мету і сформулювати основні задачі досліджень, які полягають в обґрунтуванні можливості повторного використання підготовчих виробок.

Установлено замірні станції, виконані й оброблені виміри деформацій аркового кріплення в характерних штреках шахти ім. XVII партз'їзду ДХК «Шахтарськантрацит», що дозволило установити основні закономірності деформування елементів кріплення в різних фазах формування опорного тиску лави.

Доведено на моделях з еквівалентних матеріалів, що установка анкера, жорстко пов'язаного з кріпленням, при одночасному посиленні стояка, дозволяє істотно (у 2…2,5 рази) підвищити її несучу здатність.

На основі аналітичних досліджень доведено, що наслідки несиметрії навантаження арки зовнішнім тиском через вплив лави, практично цілком усуваються завдяки установці анкера в точці, яка відповідає куту несиметрії, що встановлюється на основі експериментальних даних (для умов шахт ДХК «Шахтарськантрацит» кут установки анкера дорівнює 68…70⁰).

Очікуваний економічний ефект від реалізації запропонованого способу підвищення стійкості підготовчих виробок в умовах відкаточного штреку 12-й східної лави пласту k₃ гор. 460 м шахти ім. XVII партз'їзду ДХК «Шахтарськантрацит» складає близько 7841 тис. грн.

Список опублікованих робіт здобувача за темою дисертації

Тулуб С.Б., Панішко О.І., Мартиненко С.В. Дослідження та оцінка міцності металевого аркового кріплення нетрадиційної форми для підвищення стійкості виробок // Науковий вісник НГА України. - 1999. - №2. - С. 9-11.

Тулуб С.Б., Панишко А.И. Влияние несимметрии загружения на несущую способность металлической крепи // Науковий вісник НГА України. - 1999. - №4. - С. 7-8.

Панишко А.И. Исследование характера деформирования металлической арочной крепи в условиях влияния очистных работ // Науковий вісник НГА України. - 1999. - №5. - С. 96-98.

Панишко А.И., Коваленко В.Н., Костогрыз В.И. Повышение устойчивости повторно используемых выемочных штреков в условиях шахт ГХК «Шахтерскантрацит» // Науковий вісник НГА України. - 1999. - №6. - С. 37-40.

Agejev V.G., Panishko A.I., Tulub S.B. Providing stability of reentrant developments / Mine Planning and Equipment Selection & Environmental and Economical Issues. - Dnipropetrovsk. NMUU. - 1999. - C.297-299.

Тулуб С.Б., Панишко А.И., Мартыненко С.В. Оценка угла установки анкера в системе «арка-анкер» // Науковий вісник НГА України. -2000. - №1. - С. 11-14.

Коваленко В.Н., Мартыненко С.В., Панишко А.И. К вопросу обоснования расчетной схемы металлической арочной крепи при действии сосредоточенной несимметричной нагрузки // Проблемы создания новых машин и технологий. - Кременчуг, 2000. - Вып.2 (9). - С. 520-523. - /Научн. тр. КГПУ/.

Панішко О.І., Мартиненко С.В. Шахтні випробування і оцінка ефективності застосування рамно-анкерного кріплення у зоні впливу очисних робіт // Науковий вісник НГА України. -2000. - №5. - С. 14-16.

Тулуб С.Б., Панишко А.И., Мартыненко С.В. Оптимизация геометрических параметров металлической арочной крепи и оценка прочности полученной конструкции // Горн. информ.-аналит. бюллетень. - М.: изд-во МГТУ, 2000. - №12. - С. 170-173.

Тулуб С.Б., Панішко О.І., М'якенький В.В., Мартиненко С.В. Дослідження процесу деформування металевого аркового кріплення при несиметричному навантаженні в умовах ДХК «Шахтарськантрацит» // Науковий вісник НГА України. -2001. - №3. - С. 10-13.

Размещено на Allbest.ru

...