Обґрунтування параметрів анкерно-бетонного кріплення під час спорудження сполучень вертикальних стволів вугільних шахт

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

УДК 622. 252.8+622.831

Спеціальність 05.15.04 - "Шахтне та підземне будівництво"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Обґрунтування параметрів анкерно-бетонного кріплення під час спорудження сполучень вертикальних стволів вугільних шахт

Бородуля Андрій Анатолійович

Дніпропетровськ - 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі "Будівництво шахт і підземних споруд" Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, Левіт Віктор Володимирович, професор кафедри "Будівництво шахт та підземних споруд" Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, старший науковий співробітник, Друцко Віталій Павлович, завідувач відділу проведення і кріплення гірничих виробок і випробувань конструкцій Державного науково-дослідного інституту організації і механізації шахтного будівництва Міністерства палива та енергетики України (м. Харків)

- кандидат технічних наук, доцент, Вигодін Михайло Олександрович, доцент кафедри будівельних геотехнологій і конструкцій Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Провідна установа - Донбаський гірничо-металургійний інститут, кафедра "Будівництво шахт та підземних споруд" Міністерства освіти і науки України (м. Алчевськ).

Захист дисертації відбудеться "23" січня 2003 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49027, Україна, м. Дніпропетровськ - 27,просп. К.Маркса, 19).

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

Автореферат розісланий "23" грудня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, доцент С.В. Бєгічев

Анотації

Бородуля А.А. Обґрунтування параметрів анкерно-бетонного кріплення під час спорудження сполучень вертикальних стволів вугільних шахт. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.04. "Шахтне і підземне будівництво". - Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України. - Дніпропетровськ: - 2002.

Проаналізовано стан сполучень вертикальних стволів з горизонтальними виробками вугільних шахт. Показано, що традиційні види матеріалоємних кріплень і технологія їх спорудження потребують змін. Обґрунтовано, що розробка ефективних технологій спорудження сполучень повинна бути зорієнтована на створення комбінованих видів кріплень з використанням анкерних систем. Ключовою задачею визначено раціональне закладення сполучень і його геометричних параметрів, рішення якої базується на наукових результатах досліджень параметрів системи "анкерно-бетонне кріплення - породний масив" і розробленій технології.

Визначені домінуючі фактори, які впливають на стійкість сполучень - дирекційний кут проведення горизонтальної виробки, яка примикає до стволу, показник складності умов проведення та відношення ширини виробки до діаметру ствола. Доведено, що анкерне кріплення в комбінації з бетонним забезпечує стійкість стволу при орієнтованому та різноглибиному його зведенні; встановлена глибина навколоконтурної ослабленої зони дії несиметричних навантажень на кріплення ствола, яка визначає параметри конструкції та технологію зведення анкерів. Розраховано паспорт анкерного кріплення та ділянки його зведення, що дозволяє максимально збільшити темпи проведення стволів. Обґрунтовано підходи, розроблена і впроваджена технологія спорудження вертикальних ділянок стволів над сполученнями, оцінено її економічну ефективність. Результати досліджень опубліковані у 7 наукових статтях, із них 5 - у фахових виданнях.

Ключові слова: шахтний ствол, сполучення, анкерно-бетонне кріплення, дирекційний кут проведення, технологія прохідки, ефективність.

Бородуля А.А. Обоснование параметров анкерно-бетонной крепи при сооружении сопряжений вертикальных стволов угольных шахт. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.04. "Шахтное и подземное строительство". - Национальный горный университет Министерства образования и науки Украины. - Днепропетровск: - 2002.

Проанализировано состояние сопряжений вертикальных стволов с горизонтальными выработками угольных шахт. Показано, что традиционные виды материалоемких крепей и технология их сооружения претерпели значительных изменений.

В разработанной концепции развития угольной промышленности Украины до 2005 года, как генеральное направление определено широкомасштабное внедрение анкерного крепления, что обеспечит, согласно программы "Анкер", рост производительности труда в 2,0…4,5 раза, снижение материалоемкости крепления в 5…10 раз, увеличение темпов проходки и безопасности работ.

Однако нормативная база для внедрения анкерного крепления создана в основном для горизонтальных выработок. Внедрение анкерного крепления в вертикальных стволах требует экспериментальных и теоретических обоснований с использованием имеющегося опыта сооружения сопряжений.

Геомеханическими предпосылками применения анкеров в стволах являются фундаментальные открытия в области устойчивости породных массивов. Разработками ИГТМ НАН Украины доказано, что применение анкеров обеспечивает блокирование распушивания пород и приводит к смене механизма разрушения массива от хрупкого до блокированного псевдопластического, что значительно увеличивает енергоемкость разрушения за счет трения в элементах массива. Из установленной закономерности разрушения горных пород в приконтурной области выработки (открытие №43, Украина) вытекает, что эффект ограничения разрушения может быть достигнут путем нагружения массива по фронту его разрушения. В качестве регулятивного элемента могут быть применены анкера.

Эти условия и результаты проведенных исследований относительно медленного развития зон неупругих деформаций вокруг стволов при основной бетонной крепи позволяют сделать вывод о целесообразности применения анкерной крепи в комбинации с основной бетонной.

Обосновано, что разработка эффективных технологий сооружения сопряжений должна быть ориентирована на создание комбинированных видов крепей с использованием анкерных систем. Ключевой задачей является определение рационального заложения и геометрических параметров сопряжений, решение которой базируется на научных результатах исследований параметров системы "анкерно-бетонная крепь - породный массив" и разработанной технологией.

Определены доминирующие факторы, которые влияют на устойчивость сопряжений - дирекционный угол проведения прилегающей горизонтальной выработки, показатель сложности условий проведения и отношение ширины выработка к диаметру ствола в свету. Доказано, что анкера в комбинации с бетонной крепью обеспечивают устойчивость ствола в зависимости от ориентированности и разноглубинности их возведения; установлена глубина приконтурной ослабленной зоны действия несимметричных нагрузок на крепь ствола, которая определяет параметры конструкции и технологию установки анкеров. Рассчитан паспорт анкерного крепления и участки анкерования, что позволило максимально увеличить темпы проходки стволов. Обоснованы подходы, разработана и внедрена технология сооружения вертикальных участков стволов над сопряжениями, оценена ее экономическая эффективность. Результаты исследований опубликованы в 7 научных статьях, из них 4 - в ведущих специализированных изданиях.

Ключевые слова: шахтный ствол, сопряжение, анкерно-бетонная крепь, дирекционный угол проведения, технология проходки, эффективность.

Borodulya А.А. A substantiation of parameters core-concrete fixes at a structure interfaces of vertical shaft of coal mines. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.15.04. - "Mine and underground construction". National mining academy of Ukraine, Dnepropetrovsk: - 2002.

The condition of interfaces of vertical trunks with horizontal developments collieries is analysed. The traditional kinds material - capacity fixes and technology of their structure have undergone of significant changes is shown. The development of effective technologies of a structure of interfaces should be focused on creation of the combined kinds fixes with use cores of systems is proved. The definition rational of pawn and geometrical parameters of interfaces is a key task, which decision is based on scientific results of researches of parameters of system " core-concrete fix - grain a file " and developed technology.

The dominant factors which influence stability of interfaces - the azimuth corner of realisation is adjoining of horizontal development are determined, parameter of complexity of conditions of realisation and attitude of width development to a diameter of a trunk in light. Is proved: that cores in a combination with concrete of fix provide stability of a trunk depending on orientation and various depth of their erection; the depth near contour of the weakened operative range of asymmetrical loading on fastening of a trunk is established which defines parameters of a design and technology of installation of cores. The passport of core fastening and sites coring is designed, that has allowed maximum to increase rates of shaft sinking. The methods, developed and the technology of a structure of vertical sites of trunks above interfaces is introduced are proved, its economic efficiency is appreciated. The outcomes of researches are published in 7 scientific articles, from them 5 in the leading special issuing.

Key words: a mine trunk, interface, core-concrete fix, the azimuth corner of realisation, technology sinking, efficiency.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розвиток промисловості України неминуче пов'язаний з будівництвом нових більш глибоких і реконструкцією діючих вугільних шахт.

У загальному комплексі будівництва сучасних шахт спорудження вертикальних стволів відноситься до категорії найбільш складних і трудомістких, що знаходяться на критичному шляху будівництва, і багато в чому визначає терміни запровадження їх в експлуатацію. За останні роки різко скоротився обсяг, темпи і техніко-економічні показники прохідки вертикальних стволів шахт у зв'язку з недостатнім фінансуванням капітального будівництва. Необхідне оновлення шахтних фондів в умовах нових ринкових відносин потребує поряд з підвищенням темпів будівництва зниження його собівартості.

Особливе місце в комплексі будівництва вертикальних стволів займає спорудження сполучень. Вітчизняний та закордонний досвід свідчить, що не дивлячись на значні досягнення у цьому, традиційна технологія кріплення стволів залізобетоном є матеріалоємною, має значну собівартість і зумовлює низькі темпи будівництва.

Аналіз стану техніки і технології показує, що перспективним напрямом є використання комбінованого анкерно-бетонного кріплення. Теоретичне узагальнення і розробка технологічних рішень по їх впровадженню є актуальною науково-технічною задачею.

Таким чином, необхідно обґрунтування та комплексне ув'язування усіх параметрів анкерно-бетонного кріплення під час прохідки сполучень вертикальних стволів для подальшого підвищення їх стійкості, безпеки робіт та скорочення промислових витрат.

Зв'язок роботи з науковими програмами і темами. Дисертаційна робота виконана в рамках держбюджетних тем: у ДонНТУ Н-9-95 "Дослідження та удосконалення технології спорудження та реконструкції шахт і будівництва метро в Донецькому басейні", а також у ІГТМ НАН України: "Научные основы геофизического мониторинга и управления геофизическими процессами с учетом синергетических эффектов породного массива для повышения безопасности эксплуатации подземных сооружений" (№ 0199U001752); "Моделирование процесса дезинтеграции породного массива на базе закономерностей случайного развития фронта его разрушения для создания высокоресурсных охранных систем горных выработок" (№ 0196U014865). Науково технічні результати роботи пов'язані з задачами програми Мінпаливенерго "Анкер".

Мета і задачі досліджень

Мета роботи - розробка ефективної технології кріплення вертикальних ділянок сполучень стволів з горизонтальними виробками із застосуванням комбінованого анкерно-бетонного кріплення, яке забезпечує підвищення стійкості стволу, швидкість, технологічність та економічність прохідки.

Основні задачі досліджень полягали в наступному:

1) оцінка основних гірничо-технологічних умов і геомеханічних особливостей спорудження сполучень вертикальних шахтних стволів з позиції застосування ресурсозберігаючого кріплення;

2) виконання на базі натурних досліджень якісної і кількісної оцінок стану вертикальних ділянок сполучень стволів і встановлення закономірностей між основними домінуючими факторами, які впливають на стійкість стволу;

3) обґрунтування на базі лабораторних і шахтних експериментів доцільності застосування анкерно-бетонного кріплення;

4) проведення комплексних геофізичних досліджень системи "анкерно-бетонне кріплення - породний масив";

5) розробка методики розрахунку параметрів анкерно-бетонного кріплення;

6) дослідно-промислова перевірка технології зведення анкерно-бетонного кріплення над сполученнями вертикального стволу.

Ідея роботи - використання в охоронній конструкції ствола комбінації бетонного і анкерного кріплення, при якому орієнтоване і різноглибинне зведення останнього здійснюється на підставі оцінення деформаційно-силових характеристик системи "кріплення - породний масив" з урахуванням технічних параметрів, які забезпечують найбільший ефект стійкості ствола і ресурсозбереження.

Об'єкт дослідження - стійкість вертикальних ділянок сполучень стволів вугільних шахт.

Предмет дослідження - параметри анкерно-бетонного кріплення вертикальних стволів вугільних шахт, які споруджуються в неоднорідному породному масиві.

Методи досліджень: для досягнення поставленої в роботі мети в якості методичної основи використаний комплексний підхід, який включає аналітичні дослідження з використанням ЕОМ, аналіз і узагальнення науково-технічних досягнень, лабораторні та шахтні експерименти, статистичну обробку результатів експериментальних досліджень, математичне моделювання, техніко-економічний аналіз.

Наукові положення, що виносяться на захист і їхня новизна

1. Параметри порушених ділянок стволу над сполученнями визначаються комплексом факторів, з них домінуючими є показник складності умов () і геометричні характеристики сполучень (дирекційний кут (А) проведення горизонтальної виробки, відношення ширини виробки до діаметру стволу В/D), які мають закономірний зв'язок у вигляді періодичної функції з дирекційним кутом з їх мінімумом в області значень 40…600 і при відношенні В/D в інтервалах 0,50…0,75 і 1,0…1,2.

2. Анкерно-бетонне кріплення посилює режим примусової взаємодії масиву з охоронною конструкцією за рахунок орієнтованого і різноглибинного зведення анкерів, які забезпечують блокування відривно-здвигових деформацій і об'ємність стиснення навколоконтурних порід, що підвищує спроможну здатність конструкції і знижує коефіцієнт асиметрії навантажень з 2,4 до 1,3…1,1.

Наукова новизна одержаних результатів:

· вперше встановлений зональний характер порушень кріплення по стволам над сполученнями, які оцінені комплексно сукупністю геомеханічних показників умов підтримання стволів і відношенням геометричних характеристик сполучення з урахуванням технологічних факторів;

· встановлені особливості взаємодії породного масиву з анкерно-бетонною охоронною конструкцією, при якій орієнтоване і різноглибинне встановлення анкерів забезпечує блокування відривно-здвигових деформацій в масиві, посилює ступінь його контакту з кріпленням, при цьому забезпечується підвищення несучої здатності конструкції і зниження коефіцієнту асиметрії навантажень на кріплення.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій роботи підтверджена: використанням апробованих методик проведення досліджень; коректністю постановки шахтних і лабораторних експериментів, застосуванням методів математичної статистики щодо аналізу результатів експериментальних досліджень і встановлення емпіричних залежностей, задовільною збіжністю експериментальних і розрахункових даних (±20%), позитивними результатами дослідно-промислової перевірки параметрів технології.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей розповсюдження порушень по стволам над сполученнями з горизонтальними виробками, які реалізовані у вигляді емпіричних формул і графіків і обґрунтуванні на їх основі параметрів і регламентів анкерно-бетонного кріплення вказаних ділянок.

Практичне значення роботи:

· удосконалена методика комплексного оцінення системи "кріплення - породний масив" з використанням сукупності геофізичних методів;

· розроблена методика розрахунку параметрів анкерно-бетонного кріплення;

· розроблена і впроваджена маловитратна технологія встановлення анкерів з використанням стандартного технологічного обладнання;

· забезпечено застосуванням розробленої технології проходження вертикальних ділянок над сполученнями з темпами не нижче 100м/міс, що перевищує нормативні показники в 2,5 рази;

· завдяки впровадженій технології швидкісні темпи проходження стволу не знизились і не залежали від гірничо-технологічних умов на окремих ділянках стволу;

· отриманий економічний ефект при застосуванні технології кріплення на повітроподаючому стволі №2 АП "Шахта ім. О.Ф. Засядько" становить 868714грн..

Реалізація висновків і рекомендацій роботи. Розроблені "Рекомендации по конструкции облегченной крепи воздухоподающего ствола шахты им. А.Ф. Засядько в районе сопряжения с гор. 1235 м и нишей кабельных муфт, и по усилению крепи в районе отработанного пласта m3". Розроблений проект кріплення сполучення стволу з застосуванням анкерно-стягового кріплення на вентиляційному стволі № 5 шахти ім. О.Г. Стаханова.

Особистий внесок автора полягає в постановці задач дослідження, в формуванні фізичної і пружно-пластичної моделі "ствол - горизонт", математично-статистичній обробці результатів експериментальних та лабораторних досліджень, в розробці нового підходу щодо вибору регламенту кріплення стволів над сполученнями з застосуванням анкерно-бетонного кріплення, в постановці і проведенні дослідно-промислової перевірки технології в умовах повітроподаючого стволу №2 АП "Шахта ім. О.Ф. Засядько".

Впровадження результатів дисертації в практику швидкісних прохідницьких робіт шахт Донбасу здійснювалось при особистій участі автора.

Апробація роботи. Основні положення роботи доповідались на регіональній конференції кафедри "Будівництво шахт і підземних споруд" ДонДТУ (1999 р.), на 5-й науково-практичній конференції випускників гірничого факультету (Донецьк, 2000 р.), на розширеному засіданні кафедри "Будівництво шахт і підземних споруд" ДонДТУ (2000 р.), на регіональній конференції кафедри "Будівництво шахт і підземних споруд" ДонДТУ (2001 р.), на міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки" Інституту проблем природокористування та екології НАН України (Дніпропетровськ, 2001 р.), на регіональній конференції кафедри "Будівництво шахт і підземних споруд" ДонНТУ (2002 р.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані у 7 друкованих роботах, з яких 5 - у ведучих фахових виданнях та 2 - у збірниках матеріалів науково-практичних конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація містить вступ, 5 розділів і висновки, 34 рисунки, 18 таблиць, список літературних джерел із 114 найменувань, 10 додатків. Робота викладена на 102 сторінках машинописного тексту, загальний обсяг 170 сторінок.

Основний зміст роботи

У комплексі гірничих виробок сучасної шахти на долю стволів приходиться 25…30% вартості і 35…50% загального часу будівництва. Особливе місце займає спорудження сполучень. Вітчизняний і закордонний досвід свідчить, що кріплення сполучень стволів залишається матеріалоємним, малопродуктивним і має високу вартість. Незважаючи на значні матеріальні витрати під час кріплення, майже 48% стволів вугільних шахт мають деформоване кріплення, а 50% їхніх сполучень з горизонтальними виробками вимагає термінового ремонту (за дослідженнями НДІОМШБ).

Виконані УкрНДМІ обстеження сполучень вертикальних шахтних стволів Донбасу показали значну невідповідність фактичної товщини кріплення розрахунковій (76%). Порушення кріплення в районах сполучень приводять до його вивалів, зміни геометрії контуру стволу, відхиленню армування, що у свою чергу порушує ритмічність роботи підйому, а в деяких випадках приводить і до зупинки ствола.

У звичайних умовах вертикальні стволи і прилягаючі до них виробки закріплюють монолітним бетоном класу В 15...25, товщина кріплення складає 300...500мм. У складних гірничо-геологічних умовах (у зонах очікуваної концентрації напруження) застосовують масивне бетонне, залізобетонне, металевобетонне чи багатошарове кріплення. При цьому збільшення товщини кріплення на кожні 50мм дає приріст вартості стволу на 5...6%, а застосування монолітного залізобетону - в 2,5 рази відносно вартості звичайного бетона. Одночасно на 35% зростає трудомісткість робіт і на 60% знижуються темпи прохідки.

Таким чином, результати аналізу стану вертикальних стволів шахт Донбасу дозволяють зробити висновок про те, що застосування кріплень і технології їхнього зведення в районі сполучень у більшості випадків не відповідають пропонованим до них сучасним вимогам.

Сучасний рівень науково-технічних знань у досліджуваній області характеризується результатами тривалих досліджень і фундаментальних робіт, виконаних науково-дослідними, проектно-конструкторськими організаціями ІГТМ НАН України, ВНДМІ, ІГС ім. О.О. Скочинського, НДІОМШБ, ЦНДІПідземмаш, Південдіпрошахт, Дніпродіпрошахт, Дондіпрошахт, Доноргшахтобуд, КузНДІшахтобуд, Кривбаспроект та ін., а також фахівцями: М.М. Покровським, М.М. Протод'яконовим, П.М. Цимбаревичем, Г.Г. Литвинським, Ю.З. Заславським, Б.М. Усаченко, О.М. Шашенко, О.М. Козелом, О.М. Дінником, М.С. Буличовим, В.П. Друцко, В.В. Левітом, М.О. Вигодіним, О.П. Максимовим, Л.М. Насоновим, Н.М. Фотієвой та ін.

У розробленій "Концепції розвитку вугільної промисловості на період до 2005 року" (Наказ Мінвуглепрому №271 від 26.06.97р.), як генеральний напрямок визначене широкомасштабне застосування анкерного кріплення. Перехід на полегшене анкерне кріплення, згідно програми "Анкер", головним розробником якої є Інститут геотехнічної механіки НАН України, забезпечить зростання продуктивності праці в 2,0…4,5 рази, зниження витрат матеріалів у 5…10 разів, підвищення темпів прохідки виробок і безпеку праці. шахта бетонний анкерний кріплення

Однак, нормативна база для впровадження анкерного кріплення створена в основному для горизонтальних виробок.

Впровадження анкерного кріплення у вертикальних стволах вимагає експериментальних і теоретичних обґрунтувань з використанням наявного досвіду спорудження сполучень.

Геомеханічними передумовами застосування анкерів у стволах є фундаментальні відкриття в галузі стійкості порідних масивів. Розробками ІГТМ НАН України доведено, що використання анкерів забезпечує блокування розпушення порід і призводить до зміни механізму руйнування масиву від крихкого до блокованого псевдопластичного, що значно підвищує енергоємність руйнування за рахунок тертя в елементах масиву (А.Ф. Булат, В.В. Виноградов). Із встановленої закономірності руйнування гірських порід у навколоконтурній області виробок (відкриття №43, Україна, автори - В.Г. Колєсніков, Ю.М. Халімендік, А.Т. Курносов, А.В. Шміголь, М.О. Вигодін) витікає, що ефект обмеження руйнування може бути досягнутий шляхом навантаження масиву по фронту його руйнування. В якості регулятивного елементу можуть бути застосовані анкери.

Ці передумови та результати проведених автором досліджень з В.В. Левітом відносно повільного розвитку зон непружних деформацій біля стволів при основному бетонному кріпленні дозволять зробити висновок щодо доцільності застосування анкерного кріплення в комбінації з основним бетонним.

На базі натурних досліджень зроблена якісна і кількісна оцінка стану вертикальних ділянок сполучень стволів, для виявлення основних домінуючих факторів, що впливають на стійкість стволу.

У якості досліджуваних були визначені 26 стволів шахт, які мають двосторонні сполучення і пологе залягання порід.

Узагальнюючим параметром, що характеризує зону порушень і визначає вибір технології кріплення, є очікувана висота поширення порушень над сполученнями. Встановлено, що дана величина на практиці перевищує нормативні (УкрНДМІ) - 20 потужностей вугільного шару, в 2,0…2,5 рази і досягає 62 м.

Стійкість підземних гірничих виробок визначається величезною кількістю гірничо-геологічних і гірничо-технічних факторів, ступінь впливу яких неоднакова. Оцінювався вплив різних факторів, на висоту поширення порушень над сполученням. Слід також зазначити, що О.М. Шашенком, О.В. Колоколовим та іншими вченими доведена залежність стійкості капітальних виробок від напрямку проходки стосовно площин ослаблення масиву. Ці спостереження дають підстави зазначити, що закономірність є глобальною і повною мірою відноситься і до сполучень вертикальних стволів.

Серед безлічі факторів, на основі аналізу методом групового обліку аргументів, виявлені найбільш впливаючи на прояви гірського тиску поблизу гірничої виробки. Отримано статистичні залежності висоти поширення порушень над сполученням (Y) від дирекційного кута проведення горизонтальної виробки, що сполучається зі стовбуром (Х 1), відношення ширини виробки до діаметру ствола у світлі (Х 6), умов спорудження (Х 5).

Найкраща з розглянутих моделей з похибкою 11,6% має лінійний вигляд:

Y=20X5+5,46X6-0,16X1. (1)

Для визначення характеру взаємозв'язку кожної вхідної величини з вихідним значенням, було використано пакет програм CurveExpert1.3.

Отримано наступні залежності висоти поширення порушень від:

· дирекційного кута (А) осі сполучення:

; (2)

· від умов спорудження :

, (3)

де Rt - приведена тривала міцність вміщаючого породного масиву на відстані 20r (де r - радіус стволу у світлі, м); g - об'ємна вага порід, кН/м 3; Н - глибина, м.

· від відношення ширини горизонтальної виробки, що сполучається (В), до діаметру ствола у світлі (D):

. (4)

Узагальнююча формула для визначення висоти поширення порушень у залежності від трьох виявлених домінуючих факторів має вигляд:

. (5)

Аналіз графіка hпор=f(А) вказує на мінімальний розмір зони порушень над сполученням при дирекційному куті проведення горизонтальної виробки 40…600.

Графік залежності hпор=f() підтверджує факт необхідності закладення сполучень у породах міцністю не нижче 6…7.

При інтерпретації залежності hпор=f(B/D) варто виділити три характерні зони: 0,5…0,7; 0,7…1,0; 1,0…1,2. Незначні величини порушень у першій зоні переважно пов'язані з тим, що при малих розмірах ширини сполучення (В) дуже мала його роль як розвантажувальної виробки. В інтервалі відношення B/D=1,0…1,2 має місце вирівнювання концентрації напружень навколо стволу і виробки, що примикає. Це істотно зменшує величину hпор за рахунок того, що величини зсуву порід переважно рівнобіжні по циліндричній утворюючій кріплення стволу. У випадку, коли B/D=0,7…0,9 з ряду технологічних причин має місце зростання обсягів розпушеного масиву і, як наслідок, зростання радіусу непружних деформацій, що в сукупності з величиною концентрації напружень є причиною найбільшої довжини деформування кріплення над сполученнями, які сягають 62 м.

Якісний характер процесів, які відбуваються у реальному стволі моделювався в лабораторних експериментах за методикою ІГТМ НАН України. При цьому багатошаровий складноструктурний масив і анкерне кріплення змодельовані на основі еквівалентних матеріалів, з урахуванням зміни азимуту проведення горизонтальної виробки і моделюванням зміни напрямку щодо нашарування. На підставі визначених залежностей подовжньої і поперечної деформацій від стискаючого напруження, обґрунтована доцільність застосування анкерного кріплення, що входить до складу постійного на ділянках стволів над сполученнями.

Лабораторними експериментами, які моделювали різноманітні варіанти розташування сполучення і управляючих дій на нього, встановлено:

а) в значеннях відносної деформації матеріалу моделі виділяються передмежна і позамежна зони: 1 - до 0,5%, 2 - в інтервалі 0,5…3,5%;

б) в позамежному режимі деформування величина відносної деформації в межах 1,0…2,5% досягається під час різних умов навантаження - найбільша ефективність зміщення матеріалу досягається у такій послідовності: сполучення з анкерами за простяганням, в крест простягання з анкерами і під кутом 450 до лінії простягання.

Таким чином, раціональним є розташування горизонтальної виробки, що примикає, під кутом 450 до лінії простягання і застосуванням зміцнюючих анкерів. Величина відносної деформації, яка дорівнює 1,5…2,5%, досягається при напруженнях 3,5…4,0 МПа, що в 1,8 рази вище, ніж під час підтримання сполучення з розташуванням горизонтальної виробки за простяганням без анкерів.

Кількісна і якісна оцінка напружено-деформованого стану навколоконтурного масиву виконувалась за допомогою геофізичних досліджень на повітроподаючому стволі №2 АП "Шахта ім. О.Ф. Засядько". Методом ПВЕМПЗ виявлено, що стан навколоконтурного масиву уздовж стволу змінюється хвилеподібно і носить найбільш різко виражені зміни на контактах шарів порід різної міцності і кріплень з різними силовими характеристиками, а також на ділянках вироблених просторів, і в зонах геологічних порушень.

По максимуму електромагнітного випромінювання встановлено, що порушення масиву поширюється від контуру стволу на глибину до 1,5 м. З урахуванням товщини бетону глибина ослабленої зони породного масиву складає не менш 2,0 м.

Визначення зон розташування максимальних навантажень по периметру стволу було виконане електрометричним зондуванням по шпурах підготовлених для зведення анкерів. На відмітці 768 м (закладення ніші кабельних муфт) була виявлена суттєва несиметричність навантажень, що негативно впливає на стан кріплення, коефіцієнт асиметрії в цьому випадку досяг 2,4, з максимумом у напрямку "падіння - повстання" шару.

Таким чином, комплекс геофізичних досліджень показав, що під час перетинання стволами слабких порід, відпрацьованих просторів, ділянок сполучень, створюються геомеханічні передумови для наступного утворення у породах тріщин і деформацій кріплення в напрямку "падіння - повстання".

Для обґрунтування величини зони порушення кріплення стволу над сполученням були проведені аналітичні дослідження. При побудові математичної моделі враховано, що сполучення стволу з горизонтальною виробкою є складною геомеханічною системою, тому для спрощення розглянута плоска задача взаємного впливу стволу і горизонтальної виробки на стійкість стволу над сполученням. Виявлені статистичним аналізом домінуючі фактори, включені в математичну модель при визначенні еквівалентних напружень на контурі горизонтальної виробки.

Під час аналізу плоских перетинів стволу і виробки на достатній відстані від вузла сполучення визначено, що напружений стан породного масиву навколо стволу при різній орієнтації не змінюється. Вплив вузла сполучення на стійкість його вертикальної ділянки виявляється переважно через концентрацію підвищених напружень у кутах примикання горизонтальної виробки до стволу. У горизонтальній же виробці істотний вплив на систему "кріплення - породний масив" створює бічний тиск гірських порід, що враховується коефіцієнтом бічного розпору l.

У залежності від азимута проведення виробки зміна навантаження виражається періодичною функцією коефіцієнта бічного розпору:

, (6)

де а, в - коефіцієнти, що враховують характер і вид залежності.

З огляду на те, що на величину l впливає жорсткість кріплення, її можна визначити як функцію добутку двох величин:

, (7)

де l* - коефіцієнт бічного розпору, обчислений для визначеної моделі; S - показник жорсткості кріплення.

Феноменологічно показник жорсткості може бути визначений:

, (8)

де Еп і Еб - модуль пружності порід і бетону відповідно; lс=1м - елементарна довжина по утворюючій стволу; dк=0,4м - товщина бетонного кріплення.

Зіставляючи модулі пружності порід і бетону, для аналітичних розрахунків можна прийняти l=0,7. При А=00 і А=900 виробка знаходиться в масиві, де s1=s3=gH, а в випадку А=450 коефіцієнт бічного розпору дорівнює 0,7. Тоді функції l=f(А) здобуває вигляд:

. (9)

Використаний метод розрахунку (МГЕ) дозволив одержати графічне зображення розподілу максимальних напружень в залежності від азимута проведення виробки. Порівняння з величинами , отриманими під час натурних досліджень, підтверджує адекватність вибору математичної моделі.

Наші дані погоджуються з даними В.С. Попова, Г.П. Панасенка, якими визначається великий вплив на стійкість гірських виробок діагенетичних тріщин, що розвиваються паралельно нашаруванню і мають азимути 130…1500, і викликають утворення векторів головних напруг, що діють у породному масиві. Таким чином, як і випливає з натурних і аналітичних досліджень, виробка, проведена під кутом 900 відносно тріщиноутворення (дирекційний кут 40…600) найбільш стійка.

На підставі наукових результатів було виконано практико-промислове впровадження анкерно-бетонного кріплення на повітроподаючому стволі №2 шахти ім. О.Ф. Засядько. Відповідно до розробленої методики НДІОМШБ за участю автора і спираючись на шахтні дослідження були визначені зони зрушень породного масиву - місця зведення анкерно-бетонного кріплення.

Розрахунком були визначені паспорт зведення анкерів, необхідне зусилля висмикуючих навантажень. При цьому з огляду на шахтні геофізичні виміри, у напрямку падіння - повстання шару довжина анкерів на гор. 1235 м була збільшена з 2,8 м (розрахункова) до 3,3 м.

Зведення анкерно-бетонного кріплення виконувалося по розробленій технологічній схемі. При цьому схема зведення анкерів при проходці з вибою стволу не була прийнята через безсумнівне уповільнення темпів прохідки.

Була розроблена і впроваджена технологія зведення анкерів після проходження стволу. Використовувалося серійне прохідницьке устаткування, для буріння була модернізована стріла БУКС. Це дозволило скоротити час буріння шпурів під анкери, бурити одночасно 4 шпури в ярусі, а також поєднати в часі процес установки анкерів і демонтаж технологічних трубопроводів.

З метою перевірки якості виконаних заходів щодо посилення кріплення стволу в відмітках 668…678 м (ніша кабельних муфт) була виконана комплексна геофізична діагностика:

· методом ПВІЕМПЗ визначена асиметрія навантажень на кріплення;

· електрометрією оцінена суцільність системи "кріплення - породний масив" у різних напрямках.

Виміри позірного електричного опору й електромагнітної емісії показали різке зниження асиметрії навантажень. Віброакустичною діагностикою виявлнено збільшення консолідації породного масиву і кріплення, що має прояву у вигляді малої варіації значень контрольного параметру (амплітуди коливань). Оцінка якості зведення анкерів виконана приладом ENERPAC.

Виміри зміщення анкерів показали, що навіть під час їх навантаження зусиллями перевищуючими 220 кН, зміщення не перевищили припустимих, що підтвердило обґрунтованість вибору технології кріплення.

Порівняння проектного і фактичного графіків організації будівництва по традиційній і розробленій технології показує прискорення термінів спорудження стволу на 1,34 міс. Застосована технологія дозволила пройти на ППС №2 АП "Шахта ім. О.Ф. Засядько" 1000 м за 10 міс, не знижуючи темпів на ділянках сполучень.

Економічний ефект по факторах часу, зарплати, послуг склав 868714 грн., а при перерахуванні на 1м стволу - 9985 грн. При очікуваному проходженні стволів у період 2003…2007 рр. тільки в ДВАТ "Трест Донецькшахтопрохідка" більш 7км економія складе більш 7 млн. грн.

Висновки

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій розв'язано актуальну науково-практичну задачу, що полягає в розробці ефективної технології кріплення вертикальних ділянок сполучень стволів з горизонтальними виробками із застосуванням комбінованого анкерно-бетонного кріплення, яке забезпечує підвищення стійкості стволу над сполученням, економічність, технологічність та швидкість прохідки.

Основні наукові та практичні результати роботи:

1. Визначено структуру залежності показника величини розповсюдження порушень кріплення від домінуючих факторів, які найбільше впливають на величину порушень кріплення над сполученнями: показник складності умов () і геометричні характеристики сполучень (дирекційний кут (А) проведення горизонтальної виробки, відношення ширини виробки до діаметру стволу В/D).

2. На підставі проведених лабораторних та шахтних досліджень доведено, що анкерно-бетонне кріплення посилює режим примусової взаємодії масиву з охоронною конструкцією за рахунок орієнтованості і різноглибинності дії анкерів, які забезпечують блокування відривно-здвигових деформацій і об'ємність стиснення навколоконтурних порід, що підвищує несучу здатність конструкції і знижує коефіцієнт асиметрії навантажень з 2,4 до 1,3…1,1.

3. Удосконалена методика комплексного оцінення у вертикальних стволах системи "кріплення - породний масив" з використанням сукупності геофізичних методів.

4. Обґрунтовані і підтверджені розрахунком параметри анкерно-бетонного кріплення.

5. Удосконалена технологія зведення анкерів з використанням стандартного технологічного обладнання.

6. Розроблений технічний регламент кріплення стволів над сполученнями з застосуванням анкерно-бетонного кріплення. Розроблені за участю автора рекомендації, які були впроваджені на повітроподаючому стволі №2 АП "Шахта ім. О.Ф. Засядько". Розроблений проект кріплення сполучення стволу з використанням анкерно-стягового кріплення на вентиляційному стволі №5 шахти ім. О.Г. Стаханова.

7. Використання розробленої технології забезпечило проходження вертикальних ділянок стволу над сполученнями з темпами не нижче 100 м/міс, що перевищує нормативні показники в 2,5 рази.

8. Отриманий економічний ефект під час застосування розробленої технології кріплення на повітроподаючому стволі №2 АП "Шахта ім. О.Ф. Засядько" склав 868714грн.

Основні положення і результати дисертації опубліковані в наступних роботах

1. Левит В.В., Сергиенко В.Н., Бородуля А.А. Методика и результаты физического моделирования и натурного диагностирования состояния сопряжения "ствол - горизонт" // Геотехническая механика. Сб. научн. тр. - Днепропетровск. - 2000. - Вып. 23. - С. 116-125.

2. Левит В.В., Сергиенко В.Н., Бородуля А.А. Методика и результаты исследования процесса разрушения моделей трехслойного массива, содержащего сопряжение "ствол - горизонт" // Геотехническая механика. Сб. научн. тр. - Днепропетровск. - 2001. - Вып. 29. - С. 209-215.

3. Бородуля А.А. Новые технологии крепления глубоких вертикальных стволов и их сопряжений // Уголь Украины. - 2002. - №4. - С.32-34.

4. Левит В.В., Бородуля А.А., Резник А.В. Оценка длительной прочности многослойного массива пород при сооружении вертикальных стволов угольных шахт // Труды ДонНТУ. Выпуск 45. Серия горно-геологическая. Донецк. - 2002. - С.13-17.

5. Е.Б. Новик, В.В. Левит, А.А. Бородуля Научные и организационно-технологические обоснования скоростных оснащения и проходки воздухоподающего ствола АП "Шахта им. А.Ф. Засядько" // Технология и проектирование подземного строительства: Весник. - Донецк: Норд-пресс, 2002. - Вып.2. - С.51-58.

6. Бородуля А.А., Макаровский А.А. Определение параметров рационального заложения сопряжений вертикальных шахтных стволов // Материалы студенческой конференции "Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений".- Донецк: ООО "НОРД Компьютер, 2001. - С.18-20.

7. В.В. Левит, Е.Б. Новик, А.А. Бородуля Оценка деформаций крепи сопряжения "ствол - горизонт" // Матеріали Міжнародної науково-практичної конференції "Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки". - Дніпропетровськ: ДНУ, 2001. - С.232-234.

Особистий внесок дисертанта в публікації, написаних в співавторстві: [1] - лабораторне моделювання системи сполучення стволу з горизонтом, натурні дослідження стану порід біля контуру бетонного кріплення; [2] - визначення коефіцієнтів подібності; [4] - встановлення кількісних показників багатошарового порідного масиву; [5] - визначення параметрів закладення анкерно-бетонного кріплення над сполученням ствола з горизонтом; [6] - визначення домінуючих факторів, які впливають на стійкість стволу над сполученнями; [7] - обробка результатів шахтних досліджень.

Размещено на Allbest.ru

...