Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Геомеханічні основи розробки і вибору комбінованих способів кріплення вертикальних стовбурів у структурно неоднорідних породах

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Загальна характеристика роботи

Стан та актуальність проблеми. Задача гарантованого забезпечення України вугіллям, яке є головним енергоносієм, потребує будівництва нових і реконструкції діючих вугільних шахт. Найбільш вагомою задачею в цьому плані є спорудження і поглиблення вертикальних стовбурів - капітальних гірничих виробок, від експлуатаційної надійності яких залежить ритмічність та економічність роботи шахт. Значне зменшення останнім часом обсягів і темпів прохідки стовбурів стало причинами відставання у підготовці нових горизонтів, реконструкції вугільних шахт у рентабельні терміни, ускладнення схем їх провітрювання та підземних транспортних систем. Інтенсифікація спорудження шахтних стовбурів ставить ряд проблем, із яких одна з важливих це підвищення економічності, технологічності і надійності їх кріплення.

Практика свідчить, що не дивляись на певні технічні досягнення у цьому, кріплення стовбурів залишається матеріало- и трудомістким, малопродуктивним і має значну будівельну вартість. Вартість спорудження стовбурів складає 30-50% вартості гірничих виробок шахти, а витрати на матеріали для кріплення перевищують 70-80% їх вартості. Обумовлено це тим, що з переходом гірничих робіт на глибину до 500-1300 м значно погіршились умови їх проведення, у зв'язку з цим проектна несуча здатність кріплення підвищена в 2 рази, витрати металу і бетону зросли в 1,5-2,0 рази, трудомісткість виросла в 2-2,5 рази, а продуктивність праці зменшилась в 1,3-1,8 рази. Не дивлячись на значні фінансові і матеріальні витрати на спорудження стовбурів, в тому числі і на кріплення, згідно даних НДІОМШБ, майже 48% стовбурів вугільних шахт мають деформоване кріплення, а 50% їх сполучень з горизонтальними виробками потребують термінового ремонту. Вважають, що основними причинами деформування кріплення стовбурів є складні непередбачені гірничо-геологічні умови (32,1%), невідповідність технологій кріплення (33,6%) особливостям механізму проявлення гірського тиску, неврахування підсилення впливу структурної та механічної неоднорідності масиву порід, асиметрії навантажень на стовбури з глибиною робіт та інші фактори. Таким чином, в умовах запровадження ринкових відношень в економіку, дефіциту фінансових і матеріальних ресурсів, вирішення однієї із важливих задач вугільної галузі - будівництво, поглиблення і експлуатація вертикальних стовбурів шахт повинні проводитися при здійсненні активної ресурсозберігаючої політики, що зменшить питому вагу вартості кріплення стовбурів у собівартості вугілля. Стан, який склався у відставанні спорудження стовбурів вугільних шахт в значній мірі пов'язаний із диспропорціями в економіці, і вкрай малими лімітованими капітальними вкладеннями в шахтне будівництво. Невисокий рівень техніко-економічних показників кріплення стовбурів обумовлюється перш за все низькою науковою обгрунтованістю проектування будівництва, розробок по технічним і технологічним рішенням, що стримує ріст показників ефективності і ресурсозбереження, ослабленням виробничої бази шахтобудівельних організацій.

Виконаними грунтовними дослідженнями НДІОМШБ, ВНДМІ, ДонВУГІ, УкрНДМІ, НДІГМ ім. М.М. Федорова, ІГТМ і ДонФТІ НАН України, МГІ, ТулПІ, НДГРІ, Національної гірничої академії України, Криворізьким, Донецьким і Київським технічними університетами, проектними («Дніпродіпрошахт», «Дондіпрошахт», «Південдіпрошахт») організаціями створена належна науково-технічна база, яка забезпечила реальний прогрес у проектуванні, спорудженні та експлуатації шахтних стовбурів. Але задачі підвищення повноти і достовірності даних про літолого-структурну і міцнісну неоднорідність порід, оцінки їх впливу на якісні і кількісні показники гірського тиску, проявлення при цьому асиметрії навантажень на стовбури залишаються ключовими в розкритті механізму взаємодії системи «кріплення стовбура - породний масив» і обгрунтуванні конструктивно-технологічних рішень підвищення їх стійкості.

Фундаментальні дослідження останніх років в галузі механіки гірських порід і підземних споруд дозволяють утверджувати, що пошук і розробка нових рішень по кріпленню шахтних стовбурів повинні здійснюватися в першу чергу не за рахунок підвищення матеріаломісткості і несучої здатності кріплення, але головним чином, за рахунок створення комбінованих охоронних конструкцій стовбурів, які забезпечували б загальносистемний керований вплив регулятивними засобами на підвищення несучої здатності порід і кріплення, мали б субоптимальні параметри і понижували нерівномірні асиметричні навантаження на стовбури. Аналіз стану техніки і технології у цьому плані показує, що теоретичне узагальнення і розробка геомеханічних основ створення і технологічних рішень застосування комбінованих способів кріплення вертикальних стовбурів вугільних шахт, які проходяться у структурно неоднорідних масивах порід, є актуальною науковою проблемою. Вирішенню цієї проблеми, що має важливе практичне значення, і присвячена ця дисертаційна робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до науково-технічних програм НАН України, Мінвуглепрому України, за тематичними планами ІГТМ НАН України по держбюджетній темі «Наукові основи автоматизованого контролю геомеханічних процесів у вуглепородному масиві при гірничо-технологічних роботах», гостемі №852 «Виконати геофізичну діагностику стану кріплення і порід приконтурної зони вертикальних шахтних стовбурів для обґрунтування заходів по підвищенню їх стійкості», згідно до програм науково-дослідного інституту організації і механізації шахтного будівництва (НДІОМШБ). Шахтні дослідження виконувались автором при будівництві і реконструкції вугільних шахт у Донбасі.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка геомеханічних основ створення та вибору комбінованих способів кріплення вертикальних стовбурів вугільних шахт в неоднорідних породах, забезпечуючих підвищення економічності, технологічності і надійності їх кріплення.

Для досягнення вказаної мети в дисертаційній роботі поставлені і вирішені такі задачі:

Виконати літолого-геомеханічну оцінку умов будівництва вертикальних стовбурів вугільних шахт Донбасу з врахуванням структурної і міцнісної неоднорідності багатошаруватого масиву гірських порід.

Експериментально обґрунтувати методику шахтних геофізичних досліджень і розробити керівництво з діагностики стану системи «кріплення - породний масив» вертикальних стовбурів.

Дослідити закономірності взаємодії системи «кріплення - породний масив» в вертикальних стовбурах вугільних шахт з врахуванням неоднорідності масиву порід, типів кріплення, регулятивних елементів і асиметрії навантажень на кріплення.

Виконати моделювання впливу неоднорідності породного масиву на стан системи «кріплення стовбура - масив» з врахуванням особливостей трибогеомеханічної взаємодії на поверхнях контакту стовбур - масив і поверхнях контакту породних шарів.

Виконати геомеханічне обґрунтування конструктивно-технологічних рішень і розробити технологічні схеми реалізації комбінованих способів кріплення шахтних вертикальних стовбурів.

Виконати техніко-економічну оцінку розробок по результатах їх шахтної перевірки і впровадження в практику.

Основна ідея роботи пов`язана із використанням комплексного загальносистемного ефекту від диференційованого вибору кріплення стовбурів та послідовної чи спільної реалізації комплементарних умовам регулятивних засобів в системі «кріплення - неоднорідний породний масив», які забезпечують вкупі демпфірування зміщень порід, підвищення несучої здатності приконтурного масиву і кріплення, зменшення від цього величини та асиметрії навантажень на стовбур.

Методи досліджень. Методичною основою є комплексний підхід, який включає: аналіз і узагальнення науково-технічних досягнень по проблемі; ймовірно-статистичний аналіз; проведення лабораторних і шахтних експериментів; аналітичні дослідження з застосуванням ЕОМ і використанням положень механіки суцільного середовища і підземних споруд; техніко-економічний аналіз.

Наукові положення і результати, що захищаються, їх новизна.

Наукові положення:

Багатофакторна оцінка і прогнозування умов прохідки і кріплення вертикальних стовбурів вугільних шахт Донбасу найбільш адекватно фактичним умовам оцінюється з використанням розробленого літолого-геомеханічного тренду, який таблично пов'язує комплекс показників властивостей та стану неоднорідної багатошаруватої товщі, що аналітично визначається потенційним показником його стійкості покладеним в основу групування умов і вибору рішень по кріпленню стовбурів.

Довготривала взаємодія системи «кріплення стовбура - породний масив» визначається типом, параметрами кріплення та регулятивних елементів, має виражене проявлення впливу структурно-міцнісної неоднорідності порід і характеризується негативним впливом нерівномірних асиметричних навантажень на стовбур, що проявляється в орієнтації максимумів асиметрії механічних напружень (К_а = 1,2-1,4) в напрямі «падінняпідйому» шарів порід і зростанням її ступіня на ділянках з більш слабкими породами, яка і є визначальною причиною деформування кріплення, критеріальним показником геомеханічного стану системи, та вихідною інформацією для вибору впливів з метою керування ним.

Механізм деформування породного масиву вміщуючого стовбур на незакріплених ділянках на ранніх стадіях пов'язаний з утворенням двох зон підвищеного тріщиноутворення в таких межах: перша 0-0,8 м; друга 1,2-1,6 м; довготривала взаємодія системи «кріплення масив» характеризується формуванням біля стовбурів активних трибогеомеханічних зон: І 1,4-1,6 м; ІІ 1,8-2,2 м; ІІІ більше 2,2 м, що є основною геомеханічною передумовою вибору типів, рівнів та послідовності реалізації керуючих впливів для забезпечення сталого стану системи.

Взаємний вплив вертикального стовбура і примикаючої горизонтальної виробки проявляється в зміні напружено-деформованого стану в породах над їх сполученням та в породах, вміщуючих останню, і характеризується квазіхвильовою зміною в них напружень при наявності мінімума на відстані рівній діаметру стовбура і зони його безпосереднього впливу приблизно рівній двом діаметрам, врахуванням чого дає вихідну базу для рішень по кріпленню сполучень виробок, вибору конструкції параметрів регулятивних елементів.

Вплив чергування різнопотужних і різноміцнісних порід на їх взаємодію з кріпленням стовбура проявляється в варіації параметрів зони непружних деформацій (пластичності) і зони кріплення, що знаходиться під дією масиву: параметри першої нелінійно залежать від потужності верстви (слабкі породи) і рівня навантаженності порід, а другої - обернено пропорційно від тих же чинників.

Застосування комбінованих способів кріплення стовбурів з використанням регулятивних елементів різної піддатливості і жорсткості, комплементарних умовам охорони стовбурів, забезпечує покращення показників сумісної роботи масиву порід і кріплення, знижує коефіцієнт асиметрії навантаження на нього до 1,03-1,07, що в сукупності підвищує стійкість, економічність і надійність кріплення.

Наукові результати:

Вперше на основі систематизації і узагальнення інформації про геолого-геомеханічні умови прохідки і кріплення вертикальних стовбурів вугільних шахт в багатошаруватих породах обгрунтовані коефіцієнти їх літолого-структурної і міцнісної неоднорідності, удосконалено з врахуванням реологічних показників формулу оцінки приведеної міцності складноструктурної товщі породних масивів; встановлені кількісні показники ймовірності вивалів з такими межами для відповідних категорій стійкості порід - І - 0,11-0,47 (f 21), ІІ - 0,29-0,56 (f 12), ІІІ - 0,81-0,92 (f 6) - та типи статистичних закономірностей навантажень порід на кріплення, які покладено в основу створення літолого-геомеханічного тренду, що групує п'ять типів умов кріплення стовбурів, і є їх діагностичною базою та дає можливість оцінити напрями диференційного вибору конструктивно-технологічних рішень охорони стовбурів.

Встановлена сукупність основних інформативних параметрів стану геоматеріалів і матеріалів конструкцій кріплення та регулятивних елементів в умовах дограничних і позамежових механічних навантажень, оцінюваних методом геофізичної діагностики за електроопором, рівнем природного електромагнітного випромінювання, амплітудою і спектральним складом вільних коливань, діелектричною проникністю середовища, використання яких в комплексі дозволило запропонувати новий підхід до оперативної оцінки стовбурів у широкому діапазоні гірничо-геологічних умов і уникнути неоднозначності при інтерпретації результатів вимірювань в шахтних стовбурах.

Встановлено на основі шахтних досліджень і спостережень в стовбурах закономірності і особливості взаємодії системи «кріплення стовбура - регулятивний елемент - породний масив», які враховують вплив структурної і міцнісної неоднорідності порід, геомеханічні і гірничо-технологічні фактори і визначають: якісні і кількісні показники цього процесу, що пов'язані з негативною дією асиметрії навантажень на кріплення стовбура; найбільш імовірні зони підвищеного рівня, які притаманні напрямку падінню - підйому шарів і товщам зі слабкими породами; особливості і кількісні параметри зон дезінтеграції порід біля стовбурів і над сполученнями; квазіхвильову зміну рівня напруг в приконтурних породах примикаючої до стовбуру горизонтальної виробки; наявність зв'язку між потужністю верств порід, їх міцністю і інтенсивністю вивалів у стовбурах, що використано для створення науково-технічних принципів комбінованих способів кріплення і вибору найбільш раціональних сполучень основного кріплення стовбурів і комплементарних регулятивних елементів.

Комп'ютерним моделюванням на базі просторової задачі механіки гірських порід досліджено вплив чергування різнопотужних і різноміцнісних шарів порід на стан деформування системи «кріплення стовбуру - регулятивний елемент - неоднорідний масив» з врахуванням взаємодії на поверхні стовбур - масив і на поверхні поділу шарів для трьох типів граничних умов: повного зчеплення, двохстороннього контакту з тертям Кулона та одностороннього гладкого контакту, результати чого покладено для створення принципів вибору керуючих впливів і параметрів регулятивних елементів для підвищення стійкості стовбурів.

Розроблені геомеханічні основи вибору та науково обгрунтовані конструкції і параметри комбінованих способів кріплення вертикальних стовбурів вугільних шахт в структурно неоднорідних породах, які характеризуються підвищенням ресурсозбереження при охороні стовбурів.

Обгрунтованість і вірогідність наукових положень, основних висновків і рекомендацій підтверджується статистично значимим обсягом лабораторних і шахтних досліджень, поєднанням теоретичних і експериментальних досліджень з використанням апробованих методик і фундаментальних положень механіки суцільного середовища, теорії ймовірності, математичної статистики і ЕОМ, задовільною збіжністю результатів розрахунків і експериментальних досліджень (розбіжність не перевищує 20%); позитивними результатами перевірки і впровадженням в виробництво технічних і технологічних рішень в умовах будівництва нових і реконструкції діючих шахт.

Наукове значення роботи полягає в розвитку теоретичних і експериментальних основ механіки гірських порід і підземних споруд щодо встановлення нових закономірностей взаємодії системи «кріплення стовбура - регулятивний елемент - неоднорідний масив порід»:

введені нові показники, що характеризують структурну і міцнісну неоднорідність багатошаруватих порід, їх стійкість в оголеннях, які покладені в основу визначення потенційного коефіцієнта стійкості масиву;

встановлені нові закономірності взаємодії різних типів кріплення стовбура з складноструктурним неоднорідним породним масивом при різних видах керованих впливів на нього;

визначено фізико-механічну суттєвість процесів деформування і отримані кількісні показники формування зон дезінтеграції порід на подовжених ділянках кріплення стовбурів, їх сполученнях і у примикаючих до них горизонтальних виробках;

дане нове уявлення з кількісною оцінкою взаємодії кріплення стовбура із верствами різнопотужних і різноміцнісних порід при різних умовах їх навантаження та контактування; розроблені геомеханічні основи обґрунтування та вибору комбінованих способів кріплення стовбурів у структурно неоднорідних породах;

визначені перспективи і напрямки подальших досліджень у галузі трибогеомеханіки і гравісинергетики породного масиву.

Практичне значення роботи полягає в наступному:

у використанні літолого-геомеханічного тренду оцінки умов прохідки і кріплення вертикальних шахтних стовбурів в Донбасі як основи для проектування конструктивно-технологічних рішень по їх кріпленню;

в розробці «Руководства по геофизической диагностике состояния системы «крепь породный массив» вертикальных стволов (Дополнение к «Пособию по восстановлению крепи и армировки вертикальных стволов. РД. 12.18.07388»)», яке затверджене на рівні галузі і є керівним нормативним документом;

у розробці «Руководства по производству работ способом опускной крепи в тиксотропной рубашке при проходке вертикальных стволов шахт и сооружений неглубокого заложения», яке затверджене на рівні галузі;

у розробці розділів «Инструкции по ремонту и применению облегченных видов крепей с анкерами в вертикальных стволах. РД. 12.18.08990»;

у розробці комбінованих способів кріплення шахтних стовбурів вугільних шахт з використанням різних регулятивних елементів, які захищені і авторськими свідоцтвами (1624168, SU, Е21D 5/00; 1744260, SU, E21D 7/02);

у розробці технологій і технологічних схем застосування комбінованих способів кріплення вертикальних стовбурів вугільних шахт і широкомасштабному їх впровадженні при будівництві і реконструкції стовбурів та їх сполучень з горизонтальними виробками, які забезпечують підвищення в 1,15-1,25 рази продуктивності праці і одночасне зменшення в 1,1-1,15 рази загальних витрат;

у розробці учбового посібника за курсом «Технология сооружения горных выработок в сложных горно-геологических условиях (специальные способы строительства)» та методичних вказівок по його вивченню.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи:

керівництво з геофізичної діагностики використане при оцінці стану вертикальних ствобурів на шахтах: ім. О.Г. Стаханова (стовбури №№4,5,7,8), «Зоря», «Курахівська», «Жовтневий рудник», «Краснолиманська», «Білозерська», «Комсомолець Донбасу», «Прогрес» та ін.;

наукові результати використані при розробці нормативних документів та рекомендацій в роботах науково-дослідного інституту організації і механізації шахтного будівництва (НДIОМШБ);

на шахті ім. О.Г. Стаханова впроваджені комбіновані способи кріплення стовбурів на основі сполучення монолітного бетону, анкерного кріплення і тампонажу, подвійних металевих оболонок, формуванням кільцевих щілин та ін.; впроваджені радіально-піддатливі та бочковидні кріплення на сполученнях ствобурів з горизонтальними виробками;

на шахті «Курахівська» впроваджено комбінований спосіб формування в глибині масиву порід демпфіруючого кільця із застосуванням хімічного тампонажу та формування грузонесучої оболонки біля контуру кріплення стовбура на основі неорганічних в'яжучих;

на шахтах «Розсипнянська», ім. М.I. Калініна в зонах підвищеного гірського тиску застосоване піддатливе кріплення з деформаційними швами та використанням компенсаторів коробчатих провідників;

на шахті «Краснолиманська» під час проходки гирла стовбура впроваджене опускне кріплення;

розроблені технології та технологічні схеми їх реалізації використані в проектах інститутів, рекомендаціях з будівництва та поглиблення стовбурів.

Використання розробок, що підтверджується актами, дозволило зменшити капітальні витрати на 10-15%, підвищити продуктивність праці на 15-25%, зменшити використання дорогого залізобетонного кріплення, розширити застосування анкерного та бетонного штучного кріплення в складних геотехнічних умовах.

Декларація конкретного особистого внеску в розробку наукових результатів, винесених на захист, полягає: в формулюванні проблеми, мети, задач досліджень і наукових положень; статистичному аналізі і обгрунтуванні показників структурно-механічної неоднорідності багатошаруватих масивів порід та потенційного показника їх стійкості в оголеннях; розробці методики і критеріїв дослідження взаємодії кріплення стовбурів з породами; обробці результатів шахтних досліджень і обгрунтуванні нового уявлення про механізм деформування порід біля стовбурів та їх сполучень з горизонтальними виробками; у постановці аналітичної задачі і аналізі результатів комп'ютерного моделювання; розробці науково-технічних принципів вибору керуючих впливів на систему кріплення стовбурів та конструкцій комбінованих способів їх охорони; впровадженні результатів досліджень у виробництво.

Апробація роботи. Основні положення, наукові і практичні результати роботи доповідалися і обговорювалися на науково-технічній конференції по кріпленню гірничих виробок (Павлоград, 1995), міжнародних конференціях по проблемам і перспективам освоєння родовищ корисних копалин (Дніпропетровськ, 1997, 1998), по контролю природно-техногенних систем (Ялта, 1996; Львів, 1996; Тула, 1996); по проблемам гідрогеомеханіки в гірничий справі і будівництві (Київ, 1996), а також на науково-практичних конференціях по маркшейдерському забезпеченню гірничих робіт (Донецьк, 1995), будівельним конструкціям (Дніпропетровськ, 1996), кріпленню вертикальних стовбурів шахт (Ростов-на-Дону, 1997). Окремі розділи роботи доповідалися на технічній раді тресту «Донецькшахтопрохідка» (Донецьк, 1994-1998), наукових семінарах ІГТМ НАНУ України (Дніпропетровськ, 1996-1998), об'єднаному семінарі кафедр НГА України (Дніпропетровськ, 1998).

Публікації. За темою дисертації пошукувачем опубліковано 35 робіт, у тому числі: одна монографія, статті, доповіді - 25, керівництва - 3, свідоцтва на винаходи - 2, тези доповідей - 4.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Містить… сторінок машинописного тексту, в тому числі… малюнки,… таблиці, список використаних джерел з… найменувань та… додатків.

Автор висловлює щиру подяку доктору технічних наук, професору Б.М. Усаченку за увагу та цінні поради при виконанні роботи і підготовці дисертації, а також співробітникам ІГТМ НАН України та робітникам тресту «Донецькшахтопрохідка» за допомогу в проведенні експериментів і промисловому освоєнні розробок.

Основний зміст роботи

будівництво вугільний шахта гірський

Розділ 1. Стан проблеми і задачі досліджень

Ключовою проблемою у підвищенні енергетичної незалежності України за рахунок збільшення видобутку вугілля, при одночасному зростанні його конкурентоспроможності, є проблема інтенсифікації, надійності та економічності будівництва і поглиблення шахтних вертикальних стовбурів. Виконаний в роботі аналіз дозволяє визначити, що пріоритетною складовою цієї проблеми є задача наукового обгрунтування, розробки та удосконалення способів кріплення і охорони шахтних стовбурів. По сьогодні традиційно спорудженню стовбурів, їх кріпленню притаманні значна будівельна вартість, трудомісткість, зниження обсягів, темпів прохідки і зростання термінів будівництва. Ця тенденція пов'язана з багатьма факторами, основними з яких є: диспропорції в економіці країни, що спричинили зменшення капіталовкладень в шахтне будівництво, ускладнення гірничо-геологічних умов, застосування способів кріплення стовбурів, які вичерпали себе по продуктивності і екологічності. Але вагомим є те, що має місце обмежене врахування зміни в умовах будівництва і довготривалої експлуатації стовбурів, недостатнє наукове обгрунтування конструктивних і технологічних рішень по кріпленню стовбурів у цих умовах. В сукупності це знижує якість проектування та призводить до зростання економічних витрат при будівництві і експлуатації стовбурів.

Отже, підвищення економічності і надійності кріплення вертикальних стовбурів вугільних шахт є важливою науково-технічною проблемою, оскільки результати наукових досліджень складають необхідну базу підвищення ефективності гірничого виробництва. Переконливим доказом цього є результати досліджень в галузі механіки гірських порід, керування гірським тиском, розробки технологій кріплення шахтних стовбурів.

Фундаментальний внесок у вирішення проблем оцінки та керування станом масиву гірських порід і гірським тиском, а отже проблеми охорони гірських виробок зробили своїми відкриттями вчені: В.І. Бондаренко, А.Ф. Булат, В.В. Виноградов, А.М. Зорін, Г.Г. Півняк, В.Н. Потураєв, Ю.М. Халімендик, Є.І. Шемякін та інші.

Вагоме значення для вирішення задач оцінки впливу структурної і міцнісної неоднорідності масиву порід на стійкість проведених у ньому виробок мають роботи А.Д. Алексеєва, Ю.Б. Грядущого, Ж.С. Єржанова, М.П. Зборщика, О.О. Лєвшина, В.Г Кравця, І.Ф. Озєрова, Л.Я. Парчевського, П.І. Пономаренка, В.Р. Рахімова, А.М. Роєнка, К.В. Руппенейта, В.В. Фромма, Вик. М. Чехова, О.М. Шашенка, В.І. Шеніна, Г.П. Шестакова та ін. Значний вплив на розробку типизацій умов підтримання гірничих виробок та обгрунтування критеріїв стійкості масиву порід мають роботи М.С. Буличова, В.Т. Глушка, В.П. Друцка, Ю.М. Карташова, Г.Г. Литвинського, Г.Я. Новіка, І.О. Садовенка, М.М. Протод'яконова, А.Г. Протосені, В.В. Ржевського, Б.М. Усаченка, В.В. Цариковського, К.П. Шкуріної, А.О. Яланського, закордонних вчених - Н. Бартона, З. Бенявського, Д. Коатса, К. Терцагі та інші.

Значні внески в розвиток теоретичної і експериментальної геомеханіки, створення засобів, технологій прохідки кріплення і експлуатації вертикальних шахтних стовбурів зробили вчені: Х.І. Абрамсон, І.В. Баклашов, Ф.А. Белаєнко, В.Г. Берєзанцев, В.О. Борисовець, А.В. Будник, М.С. Буличов, Ю.О. Весєлов, М.Г. Гаркуша, В.М. Глоба, О.В. Гузеєв, О.С. Докукін, В.А. Дрібан, О.М. Задорожній, Б.А. Картозія, Е.Я. Кіпко, Г.І. Кравченко, А.М. Козел, І.Г. Косков, К.В. Кошелєв, Г.О. Крупенніков, О.П. Максімов, І.Г. Манець, Ю.М. Маргуліс, Л.В, Новікова, Ю.О. Онищенко, Л.Я. Парчевський, Г.С. Піньковський, Ю.А. Полозов, В.А. Прагер, Є.Т. Проявкін, А.О. Рєпко, В.К. Стеблина, Р.А. Тюркян, М.А. Філатов, Н.М. Фотієва, О.М. Шашенко, Ф.І. Ягодкін; закордонні вчені - М. Белл, А. Віхур, Лабасс, Х. Кеттлер, Ф. Мор, Я. Феннер, М. Худек та ін.

Велика заслуга в розвиток проблеми спорудження кріплення і охорони вертикальних шахтних стовбурів належить НДІОМШБ, ВНДМІ, УкрНДМІ, НДІГМ ім. М.М. Федорова.

Незважаючи на широкий науковий інтерес до проблеми спорудження вертикальних шахтних стовбурів, задача їх ефективного кріплення ще далека від свого вирішення.

Проведений в роботі аналіз прохідки і кріплення вертикальних стовбурів дозволив визначити ряд важливих передумов формування задач досліджень. Враховуючи високу питому вагу (30-40%) впливу непередбаченості гірничо-геологічних умов на деформування кріплення стовбурів, відсутність теоретично обгрунтованих підходів їх оцінки, визначальною у підвищенні надійності проектування і вибору способів кріплення шахтних стовбурів є задача типизації цих умов, застосування якої підвищить достовірність і повноту даних про властивості вуглепородних товщ, перетинаємих стовбурами. Оскільки фундаментальна властивість цих товщ пов'язана з багатошаруватістю, що визначається чергуванням різнопотужних і різноміцнісних порід, ключовою є оцінка структурної та міцнісної неоднорідності порід з визначенням потенційних показників стійкості масиву як на відокремлених дільницях, так і по стовбуру в цілому. При цьому сукупна оцінка зв'язку між літолого-структурними і фізико-механічними показниками порід повинна мати узгодженість з їх станом в відслоненнях та механізмом проявлення гірського тиску у виробках, які розташовані в них. Недостатня вивченість цієї задачі, а також значне зменшення шахтних досліджень в умовах зростаючих потреб знань про якісні і кількісні показники нових форм проявлення гірського тиску в стовбурах, що проводяться у структурно неоднорідних породах, в значній мірі є однією з причин обмеженого використання інших і повсюдного застосування монолітного бетонного кріплення, обсяги якого складають 85-95%. При цьому інші типи кріплення мають вкрай обмежене застосування: монолітне і тюбінгове залізобетонне - 8-10%, 0,5-1,5% відповідно, тюбінгове металеве - 3-5%, анкерно-бетонне - 2-3%, багатошарове - 0,5-1%. Наявність окремих часткових розробок не надає надійної бази для ефективного застосування різноманітних способів кріплення стовбурів, що підтверджується високим відсотком (48-60) деформованих стовбурів, причому із-за невідповідності технологій кріплення цей показник досягає - 33-43%. При цьому домінуючою причиною руйнування кріплення є його нездатність протидіяти нерівномірним асиметричним навантаженням на стовбури, які викликаються неоднорідністю порід та неоднорідністю від цього пружно-деформованого стану масиву. Очевидна необхідність якісно нового підходу до обгрунтування способів кріплення стовбурів у структурно неоднорідних породних масивах.

Фундаментальні дослідження (відкриття №1, Україна, ІГТМ НАНУ) свідчать, що першою ланкою в підвищенні стійкості стовбурів повинно бути кероване використання несучої здатності масиву порід для зниження асиметрії навантаження на кріплення та створення комбінованих охоронних конструкцій стовбурів. Таким чином, загальносистемний ефект в системі «кріплення стовбура - породний масив» може бути досягнутий диференційованим вибором основного кріплення і застосуванням комплементарних (субоптимальних) умовам способів і засобів для регулювання взаємодії її елементів. Вивчення порушення симетрії (нерівномірність, неврівноваженість) епюр навантажень являє собою методичний базис досліджень, а величина асиметрії навантажень є критерієм оцінки геомеханічного стану системи і вихідним параметром для вибору виду і послідовності виконання регулятивних і стабілізуючих керівних впливів для забезпечення більш симетричного її навантаження і рівноміцнісного, рівноважного стану. Розробка на цій основі комбінованих способів кріплення стовбурів зменшить застосування кріплення високої вартості і трудомісткості, яке часто не забезпечує експлуатаційну надійність стовбурів.

Таким чином, створення наукових основ геомеханічного обгрунтування розробки і вибору комбінованих способів кріплення вертикальних стовбурів вугільних шахт у структурно неоднорідних породах являє собою значну наукову і технічну проблему. Нижче висвітлені результати визначають зміст і сутність розробок автора по проблемі.

Розділ 2. Оцінка літолого-геомеханічних особливостей спорудження стовбурів вугільних шахт та проявлення в них гірського тиску

Практика проектування, прохідки і кріплення вертикальних стовбурів в Донбасі свідчить про необхідність підвищення повноти та достовірності даних про властивості перетинаємих ними товщ порід, особливості їх поводження у відслоненнях та взаємодії з кріпленням. Вперше систематизовано і узагальнено інформацію про інженерно-геологічні та геомеханічні умови спорудження стовбурів з точки зору сукупної оцінки взаємозв'язків між показниками структурної і міцністної неоднорідності порід багатошаруватих товщ, імовірнісними показниками їх стійкості при оголеннях та навантаженнях гірським тиском.

Для оцінки чергування різнопотужних і різноміцністних шарів порід обгрунтовано показники структурної (K_сн) і міцністної (K_пн) неоднорідностей масиву, аналітичні вирази яких отримані на базі аналізу фактичних матеріалів по геологічних розрізах в залежності від поєднання порід за літологічними і механічними ознаками:

, (1)

де т_п, R_п потужність і міцність проверстків порід більшої міцності.

Використовуючи розробки ІГТМ НАНУ (В.Т. Глушко, Г.П. Шестаков) удосконалено формулу розрахунків приведеної міцності багатошаруватих складноструктурних товщ породних масивів з врахуванням кількості шарів, їх потужності і різноміцності, а також зниження несучої здатності такого масиву під впливом реологічних процесів. Для типизації умов кріплення стовбурів загальну шкалу міцності досліджених порід розділено на п'ять класів, пов'язавши їх з величинами реологічного показника порід / (по Б.М. Усаченко): І дуже міцні, R_c > 120 МПа, / < 0,16; ІІ міцні, R_c = 60-120 МПа, / = 0,16-0,25; ІІІ середньої міцності, R_c = 40-60 МПа, / = 0,25-0,40; IV маломіцні, R_c = 25-40 МПа, / = 0,40-0,63; V слабкі, R_c < 25 МПа, / = 0,63-1,00. Показана можливість використання правила Ціпфа для приблизної оцінки довготривалої приведеної міцності шаруватої товщі порід, згідно з яким ця величина визначається як частка відношення середньозваженої міцності порід товщі та кореня квадратного із класу шкали міцності і при його зростанні експоненційно знижується. Порівнянням величини критерію стійкості стовбурів, вичислених по БНіП ІІ-94-80, підтверджена доцільність використання прозробок автора, оскільки при цьому отримані значення критерію більш адекватно відображають фактичні умови стійкості стовбурів.

Для трьох основних категорій порід по міцності (f = 0-21; 0-12; 0-6) виявлено експоненційний розподіл шарів порід по коефіцієнту міцності та проверстків, що підпали під вивали; обернено пропорційний розподіл потужності усіх шарів в межах розрізів товщі, статистично закономірне зменшення частості вивалів при збільшенні потужності шарів у вигляді розподілу Парето. Для указаних трьох категорій порід значення імовірності вивалів в залежності від потужності шарів змінюється в межах: 0,33-0,67; 0,16-0,67; 0,72-0,92, а від міцності порід 0,11-0,47; 0,29-0,56; 0,81-0,92. Гірші умови проявляються при потужних слабких породах, коли імовірність вивалів зростає в 2 рази. Аномальні значення показників імовірності вивалів виявлено для деяких малопотужних міцних породних товщ, які залягають в потужних слабких породах. Отримана статистична залежність оцінки питомої (відносної) величини вивалів з ростом глибини на кожні 100 м:

. (2)

Коефіцієнт кореляції (0,879), похибка розрахунку менше 16%; рівняння справедливе за таких умов: Н 600, f 14. Виявлено три зони інтенсивності вивалів: І Н 300 м; ; ІІ 300 Н 600, ; ІІІ 600 Н 1100, . Враховуючи дані про вивали і маркшейдерських вимірювань установлена статистична залежність оцінки величини субоптимального відходу вибою стовбура від основного кріплення:

, (3)

де _шп. довжина шпура, K_вш коефіцієнт використання шпура. Кореляційне відношення 0,874, похибка розрахунку 7-18%. Величиною _від в значній мірі визначається ефект розвантаження масиву порід. Тому визначено коефіцієнт його розвантаження від _від у вигляді K_рд. = 10,00625_від.

Використовуючи дані ВНДМІ, НДІОМШБ, «Дніпродіпрошахт» встановлено три типи сталих статистичних закономірностей розподілу навантажень на кріплення стовбура в різних породах: Гумбеля (міцні), Релея (середньоміцні), Гаусса (слабкі), які склали методичну основу при розробках автора. На основі отриманих прогнозних моделей статистичного типу і моделей імовірнісного типу розроблено літолого-геомеханічний тренд умов прохідки і кріплення вертикальних стовбурів вугільних шахт, який взаємопов'язує та поєднує в систему комплекс показників структурної, міцністної неоднорідносте, тріщинуватості порід, показники їх стійкості в відслоненнях, співвідношенням яких визначається аналітичний вираз потенційного показника стійкості порід, який покладено в основу групування умов:

, (4)

де R_t довготривала міцність пород товщі; _в імовірність вивалів, = = 1/_від; g_т частота тріщин.

По величині K_лгт розроблена п'ятичленна типизація умов (табл. 1), яка дає імовірну їх оцінку та можливість визначити напрями диференційованого вибору конструктивно-технологічних рішень кріплення стовбурів.

Розділ 3. Експериментальне обгрунтування і розробка методики шахтних геофізичних досліджень

В зв'язку з необхідністю математичного моделювання процесів в масиві при діючих навантаженнях, близьких до руйнуючих, замість сталих параметрів Е0 та ??, що характеризують стан матеріалу в початковій пружній області деформування, отримано функціональні характеристики, що враховують незворотні зміни в матеріалі під час навантаження. Аналітичні вирази для них подано в табл.

Функціональні залежності значень статичних параметрів матеріалів від діючих напружень

Для забезпечення шахтних досліджень проведено комплекс експериментів з метою оцінки інтенсивності електромагнітного випромінювання для різних матеріалів в широкому діапазоні навантажень. Загальною закономірністю є початок реєстрації емісії після досягнення діючого значення механічного напруження рівного 0,2 s_cт., подальший різкий ріст і наступна стабілізація при напруженнях (0,7 - 0,9) s_ст. Безпосередньо перед руйнуванням гірських порід рівень емісії зменшується.

На відміну від геоматеріалів ріст інтенсивності випромінювання для бетону спостерігається поблизу межі міцності або ж навіть за її межами. Це пов'язано з двохкомпонентною структурою бетону. Після порушення цілісності зв'язуючої основи відбувається руйнування більш крихкого та міцного, а відтак і більш енергонасиченого наповнювача.

В зв'язку з використанням для натурних досліджень електрометричного методу встановлено вигляд залежностей питомого електроопору матеріалів від механічного навантаження. Для крихких порід є характерним зниження опору до початку утворення макротріщин в матеріалі (s 0,5s_ст.) з подальшим плавним зростанням. Зі збільшенням пластичності порід досягнення мінімуму електроопору відбувається при менших навантаженнях з послідуючою стабілізацією аж до початку руйнування. Особливістю бетону є стабілізація електроопору в більш широкому діапазоні навантажень, включаючи і ділянку безпосередньо за межею міцності. На основі лабораторних досліджень установлені значення відносної діелектричної проникливості порід та обгрунтовані основні технічні рішення автогенераторного приладу з ємнісним шпуровим датчиком для оцінки ступеня тріщинуватості в породному масиві шляхом профілювання по перетинаючому масив шпуру. Для застосування віброакустичного методу досліджені характерні закономірності зміни параметрів вільних механічних коливань зразків різного порушення цілісності і умов демпфірування: при наявності порожнини всередині моделі чи нещільного контакту її з основою спостерігається помірне зниження резонансної частоти вільних коливань, а також значне збільшення їх амплітуди та тривалості.

Лабораторні дослідження дали змогу визначити доцільний комплекс основних інформативних параметрів, які в своїй сукупності дозволяли б оцінку стану масиву та його взаємодію з кріпленням стовбурів в широкому діапазоні від ненавантаженого до зруйнованого з усуненням неоднозначності при аналізі динаміки зміни параметрів. Вказаний комплекс включає: питомий електричний опір, рівень природного електромагнітного випромінювання, діелектричну проникливість середовища, амплітуду та спектральний склад вільних коливань конструкцій.

У відповідності з набором інформативних параметрів та з врахуванням специфічних умов роботи в шахтних стовбурах відібрано комплекс технічних засобів геофізичного контролю.

Розроблено та затверджено на рівні галузі «Руководство по геофизической диагностике состояния системы «крепь - породный массив» вертикальных стволов» як додаток до «Пособия по восстановлению крепи и армировки вертикальных стволов. РД 12.18.073-88».

Розділ 4. Дослідження взаємодії неоднорідного масиву порід приконтурної зони з кріпленням вертикальних шахтних стовбурів і сполучень з горизонтальними виробками

З використанням комплексу геофізичних методів, а також довготривалих інструментальних вимірювань досліджено в якісному та кількісному аспектах стан системи «кріплення стовбура - гірничий масив» на 47 ділянках в 14 стовбурах шахт Донбасу. Середньостатистичний склад порід на досліджених об'єктах, в процентах: пісковики - 34,7; пісчані сланці - 39,8; глиняні сланці - 39,8; вугілля - 2,9; вапняки - 1,4; інші породи - 2,4. Діапазон зміни параметрів: глибина - від 75 м до 1291 м; діаметр стовбура на просвіт - від 5,0 м до 8,0 м; товщина кріплення - від 0,35 м до 0,80 м. Відносний об'єм застосування різних типів кріплення в процентному відношенні виглядає таким чином: монолітне бетонне - 84,9; монолітне залізобетонне - 8,1; тюбінгове металеве - 3,1; тюбінгове залізобетонне - 0,9; багатошарове - 0,6. Частина вимірювань була виконана також на тимчасово незакріплених призабійних ділянках шахтних стовбурів.

Методика комплексної діагностики системи «кріплення стовбура - породний масив» включала аналіз взаємодії обох вказаних елементів по даних віброакустичної діагностики, визначення локальних ділянок підвищених механічних напружень шляхом реєстрації імпульсного електромагнітного випромінювання, оцінку порушеності масиву по даних електрометрії та безконтактного високочастотного шпурового каротажу.

Методами безпосередніх вимірювань та геофізичних досліджень встановлені закономірності та особливості стану породного масиву і його взаємодії з різними типами кріплення стовбурів.

Встановлено, що в приконтурних породах незакріпленого стовбура розмір зони підвищеного тріщиноутворення в масиві, одержаної при виконанні буро-вибухових робіт, становить близько 0,8 м. В окремих випадках спостерігається наявність другої такої зони на відстані 1,2 - 1,6 м від контуру. Характерною є асиметрія напружено-деформованого стану в горизонтальній площині.

Найбільша кількість виконаних експериментальних досліджень стосується ділянок стовбурів, що закріплені бетонним кріпленням. З метою вивчення впливу на стійкість кріплення мінімальної кількості факторів окрема група експериментів була виконана на подовжених ділянках стовбурів. В головному стовбурі шахти «Білозерська» були досліджені умови взаємодії типового для шахт регіону монолітного бетонного кріплення товщиною 0,4 м і внутрішнім діаметром 7,0 м зі слабкими породами по контуру (f = 2 - 4). По результатах комплексної діагностики встановлено факт явної асиметрії механічних напружень в бетоні, причому найбільш навантажені сектори в багатьох випадках орієнтовані в напрямку підйому пласта, а ступінь асиметрії зростає на ділянках з більш слабкими породами. Вказані закономірності були відмічені також і на ділянках з більш міцними породами (f = 5-10), зокрема в вентиляційних стовбурах №5 та №8 шахти ім. О.Г. Стаханова і №2 шахти «Жовтневий рудник». Шляхом спостереження за станом монолітного бетонного кріплення з різним терміном експлуатації встановлено роль фактора часу при формуванні поля напружень в системі «кріплення - породний масив». В межах до 1 місяця після встановлення кріплення внаслідок пластичності бетону відбувається релаксація механічних напружень, а в подальшому, при зростанні жорсткості кріплення асиметрія властивостей породного масиву викликає нерівномірне навантаження на бетонний циліндр.

Залізобетонне кріплення, враховуючи його більш високу вартість, застосовується тільки на ділянках, де можуть виникнути значні розтягуючі напруження. Це, зокрема, ділянки сполучень стовбурів з горизонтальними виробками. Дослідження, виконані в вентиляційному стовбурі №5 шахти ім. О.Г. Стаханова в районі сполучення з горизонтом 986 м показали, що в даному випадку спостерігається значна асиметрія навантажень.

На шахтах «Прогрес» та ім. О.Г. Стаханова було виконано експерименти по вивченню взаємодії залізобетонного тюбінгового кріплення з масивом. Встановлено, що при міцних породах в прилягаючому масиві тюбінгове кріплення забезпечує досить високу ступінь однорідності навантажень на окремі елементи. Менш задовільні результати отримано на ділянці зі слабкими породами, представленими пісково-глиняними сланцями (шахта «Прогрес»). Ця обставина свідчить про доцільність додаткових міроприємств по укріпленню слабкого масиву на ділянках з тюбінговим кріпленням.

Для об'єктивної оцінки асиметрії навантажень на кріплення різних типів при різних гірничо-геологічних умовах на подовжених ділянках стовбурів зроблено вибірку по 14 перерізах шахт «Білозерська», ім. О.Г. Стаханова та «Жовтневий рудник». В вибірці представлені слідуючі види кріплення: монолітне бетонне (6 перерізів), анкерно-бетонне (2 перерізи), тюбінгове залізобетонне (4 перерізи). В двох випадках, що відносяться до призабійних ділянок стовбурів, кріплення відсутнє. Кількісні оцінки велись по рівню електромагнітної емісії, як найбільш стійкому параметру шляхом введення коефіцієнта асиметрії

К_а = Р_max./P_min.,

де Р_max. і Р_min. - відповідно найбільше і найменше із усереднених по трьох суміжних точках значення інформативного параметра.

По результатах аналізу зроблено слідуючі висновки:

для основного типу кріплення, а саме монолітного бетонного, на ділянках з міцними породами спостерігається, незалежно від глибини та діаметра стовбура, приблизно однакова ступінь асиметрії (К_а = 1,1);

максимальне значення асиметрія для монолітного бетонного кріплення має на ділянках зі слабкими породами (К_а = 1,2 - 1,4);

на ділянках з міцними породами тюбінгове залізобетонне кріплення забезпечує високу стійкість контура при задовільній рівномірності навантажень на тюбінги (К_а?< 1,1) і характеризується дещо гірше на ділянках зі слабкими породами (К_а = 1,3).

Виконано також аналіз масиву даних стосовно направленості діаграм електромагнітної емісії в напрямку підйому порід. Результати носять імовірнісний характер. Причому, найбільш імовірною є орієнтація максимуму елекктромагнітної емісії в напрямку підйому пластів порід. Таким чином, виражена тенденція щодо найбільшого радіального тиску на кріплення зі сторони підйому порід.

З метою вивчення характеру деформацій інструментальними методами в районі сполучення стовбура №8 шахти ім. О.Г. Стаханова з горизонтом 986 м було обладнано спостережну станцію.

Вимірювання зміщень контуру відносно висків проводилось в інтервалі глибин 963,5 - 999,7 м на протязі 4-х років. Динаміка розвитку деформацій слідуюча: плавне деформування контура в напрямку до центру ствола за перші два роки спостережень, швидке збільшення деформацій за послідуючі два роки та плавне затухання деформаційного процесу. Виявлено асиметрію і нерівномірність розвитку деформацій кріплення. Максимальне значення радіальної деформації досягло 420 мм. Більші величини деформації спостерігаються ближче до примикаючої виробки, причому максимальні величини зміщень мають діагональний напрямок відносно лінії перетину в плані стовбура з примикаючою виробкою та корелюються з азимутом падіння порід.

У кількісному відношенні довготривалий розвиток зміщень може бути з похибкою не більше 20% описаний слідуючим аналітичним виразом

U(t)_max. = 0,11 R_c (1 - exp (-tm/PG)^a),

На 5-и шахтах виконано геофізичні дослідження та візуальні спостереження на ділянках сполучень стовбурів з горизонтальними виробками. В більшості випадків схема сполучення двостороння, поперек простирання, з похилим зводом. Кріплення стовбура переважно залізобетонне, а горизонтальної виробки - арка СВП чи двохтавр в бетоні.

Десятирічний досвід візуальних спостережень за сполученнями дозволив виявити основні закономірності розвитку деформаційних процесів. На початковій стадії спостерігається поверхневе руйнування і відколювання бетону, заколоутворення глибиною до 0,5 м. Паралельно відбувається здимання підошви в виробці на протязі кількох метрів від контуру стовбура. В гірших випадках деформація в примикаючій виробці поширюється на відстань до двох діаметрів стовбура.

В стовбурах шахт ім. О.Г. Стаханова та «Жовтневий рудник» досліджено примикаючі до сполучень ділянки вертикальних стовбурів, закріплені бетоном з анкерами, монолітним бетоном та монолітним залізобетоном. На відміну від подовжених ділянок стовбура, де напружено-деформований стан кріплення значною мірою визначається напрямком падіння порід, на сполученнях спостерігається також і вплив орієнтації примикаючих виробок. Середня інтенсивність електромагнітного випромінювання в 1,2-1,3 рази вища ніж на подовжених ділянках ствола, що свідчить про постійне явище крихкого руйнування бетону в мікрооб'ємах.