Прогнозування та підвищення стійкості виробок в умовах слабкометаморфізованих порід Західного Донбасу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Прогнозування та підвищення стійкості виробок в умовах слабкометаморфізованих порід Західного Донбасу

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Стабілізація економіки України багато в чому залежить від стійкої роботи паливно-енергетичного комплексу і, насамперед, від роботи підприємств вугільної промисловості - шахт та розрізів.

Проблема підземного видобутку вугілля вимагає вирішення комплексу задач, серед яких однією з основних є задача спорудження та забезпечення надійної експлуатації капітальних і основних підготовчих виробок.

На шахтах України щорічно проводяться і підтримуються тисячі кілометрів підземних виробок. Близько 10% їх постійно піддається ремонтно-відновним роботам, більшість яких пов'язана з ліквідацією наслідків здимання порід підошви та надмірного для застосованого виду кріплення гірського тиску.

Особливо складні умови в цьому відношенні склалися на шахтах Західного Донбасу, де вуглевміщуючі породи слабкометаморфізовані, мають невелику міцність та схильні до розмокання. Загальна довжина виробок, що потребують ремонту, у різні роки змінювалась від 10 до 50%. Таким чином, задача підвищення стійкості виробок і дослідження, що виконані в дисертації, є актуальними і мають практичне значення.

Мета досліджень полягає в розробці методики прогнозування та способу підвищення стійкості гірничих виробок вугільних шахт Західного Донбасу в умовах слабкометаморфізованих, схильних до здимання порід підошви, що мають дуже високий рівень структурної неоднорідності та пов'язану з цим змінність фізико-механічних властивостей.

Основними задачами досліджень для реалізації поставленої мети є:

обстеження та аналіз стану протяжних виробок шахт ДХК «Павлоградвугілля»;

аналіз науково-експериментальних досліджень в області здимання порід підошви;

дослідження стійкості протяжних виробок на основі ймовірносно-статистичних моделей;

розробка технічних засобів підвищення стійкості виробок, розміщених у слабкометаморфізованих породах, схильних до здимання.

Ідея роботи полягає в урахуванні особливостей геомеханічних параметрів породного масиву на рівні фізичних і математичних моделей, у системному підході до проблеми прогнозування та оцінки стійкості виробок при їх проектуванні, розробці та впровадженні конструкції металевого кріплення криволінійної форми.

Основні наукові положення:

Ймовірносний показник стійкості виробок для шахт Західного Донбасу зменшується у часі за законом експоненти та лінійно залежить від величини коефіцієнту зволоження вміщуючих порід.

Несуча здатність металевого арочного кріплення прямо пропорційна величині загину його стояків, криволінійна форма яких визначається співвідношенням складових вертикального і бокового зовнішнього навантаження.

Наукова новизна отриманих результатів:

вперше при дослідженнях стійкості підземних виробок, проведених у слабкометаморфізованих породах, на рівні фізичних та статистичних моделей ураховано особливості вуглевміщуючого масиву і отримано закономірності його деформування, що дає можливість проектувати виробки з більшою, ніж звичайно, надійністю;

доведено, що в умовах виробок шахт Західного Донбасу найбільш економною є криволінійна форма металевого кріплення;

отримано рівняння, які дають можливість для конкретних умов розраховувати параметри такого кріплення.

Наукове значення роботи полягає у дослідженні та встановленні нових закономірностей змінення стійкості виробок, проведених у неоднорідному слабкометаморфізованому породному масиві, із використанням ймовірносно-статистичних моделей; в обгрунтуванні застосування та розробці конструкції підковоподібного металевого кріплення для умов шахт Західного Донбасу.

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблено методику оцінки стійкості підготовчих виробок з урахуванням неоднорідності вміщуючого породного масиву та впроваджено в умовах ДХК «Павлоградвугілля» металеве кріплення криволінійної форми, адаптоване до конкретних гірничо-геологічних умов.

Методику оцінки стійкості виробок затверджено інститутом «Дніпродіпрошахт», а металеве кріплення впроваджене з позитивним ефектом при спорудженні виробки шахти «Західно-Донбаська» та рекомендоване до впровадження на інших шахтах холдингової компанії «Павлоградвугілля».

Особистий внесок здобувача у роботи, які написано у співавторстві, полягає у формуванні задач досліджень та ідеї розробки заходів щодо підвищення стійкості виробок, розміщених у слабкометаморфізованих породах з високим рівнем структурної неоднорідності, у проведенні шахтних досліджень та обробці їх результатів, а також у розробці та впровадженні підковоподібного металевого кріплення.

Апробація результатів досліджень. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на науково-технічних конференціях НГА України (м. Дніпропетровськ, 1996-1998 рр.), у Московському державному гірничому університеті (м. Москва, 1997-1998 рр.), на Міжнародній конференції з проблем освоєння підземного простору великих міст (м.Сімферополь, 1998 р.) та обговорювалися на наукових семінарах кафедри будівництва шахт та підземних споруд НГА України (м. Дніпропетровськ, 1997-1998 рр.).

Публікації. Основні положення та результати досліджень відображені в 4 друкованих роботах.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків і додатків, містить 158 сторінок машинописного тексту, в тому числі 37 ілюстрацій, 6 таблиць і список використаних літературних джерел із 104 найменувань.

Основний зміст роботи

протяжний виробка слабкометаморфізований порода

Здимання підошви є різновид деформацій приконтурного масиву в підземних гірничих виробках, які практично виявляються як природний процес значного зменшення розмірів поперечного перерізу виробки з переважним деформуванням і конвергенцією порід підошви. Існує велика кількість досліджень цього явища. Починаючи з робіт М.І.Євдокимова-Ростовського у 1927 р., вивченням здимання порід підошви в гірничих виробках займалися такі вчені, як Весков М.Н., Глушко В.Т., Давидов С.С., Друцко В.П., Заславський Ю.З., Комісаров М.М., Косков І.Г., Кошелєв К.В., Ліберман Ю.М., Литвинський Г.Г., Литкин В.А., Максимов О.П., Роєнко А.М., Салустович А.П., Слєсарев В.Д., Усаченко Б.М., Халимендик Ю.М., Цимбаревич П.М., Черняк І.Л., Шашенко О.М., Шмиголь А.В., та інші. Були запропоновані різні теорії цього явища, на основі яких розроблювалися відповідні технічні засоби і способи підвищення стійкості виробок. Для шахт Західного Донбасу, де інтенсивне зміщення слабих нестійких порід підошви викликає руйнування кріплення виробок, найбільш досконалим із точки зору відпору і збереження цілісності є застосування замкнутого кріплення. Але його встановлення істотно ускладнює технологію проведення виробок, збільшує їх собівартість і не завжди дає бажаний ефект. Так, на 11 шахтах ДХК «Павлоградвугілля» до 1990 року щорічно перекріплювали до 20 км гірничих виробок, підривали породи підошви виробок на ділянках загальною довжиною понад 130 км, а рихтування рейкової колії виконували на 180 км виробок. На цих роботах було задіяно до 10,4% усіх підземних робітників. Особливо важке становище склалося на шахтах ім. Героїв космосу і «Західно-Донбаська», де гірничі роботи ведуться на глибині 400-600 м.

Протяжність основних підготовчих виробок у незадовільному стані на цих шахтах досягає 29-35% від їх загальної довжини, у той час як середній показник у компанії дорівнює 4,9%.

Ефективність тих чи інших засобів боротьби із здиманням порід підошви виробок багато у чому залежить від того, наскільки прийняті уявлення відповідають дійсній природі процесу. Наявність великої кількості, іноді - зовсім протирічних, тлумачень природи цього явища призвело до появи досить узагальнюючих рекомендацій щодо його запобігання, але довготривалих позитивних наслідків вдавалося досягати досить рідко та, частіше за все, випадково.

Наведений в першому розділі аналіз досліджень, присвячених здиманню порід підошви, показав, що всі базові фізичні моделі гірського масиву, що містить виробку, є або пружними, або пружнопластичними. На їх підставі виконано відповідні аналітичні розрахунки та інтерпретовано отримані результати.

В основу досліджень, які були виконані за останні роки проф. Шашенко О.М., покладено інший принцип. Він полягає у тому, що дія гірського тиску, яка супроводжується появою значних і досить швидких деформацій, розглядається як втрата пружнопластичної стійкості породного масиву. У залежності від структурних особливостей вміщуючих порід втрата пружнопластичної стійкості реалізується у формі здимання порід підошви, або раптового швидкоплинного підняття порід підошви з можливим наступним їх розламуванням.

У другому розділі викладені аналітичні дослідження процесів руйнування порід в зоні, утвореній між деформованою частиною масиву і кріпленням. Ця зона повністю охоплює контур виробки і знижує рівень напруження у приконтурному масиві. Але розвантаження породного масиву в бік порожнини виробки, що споруджується, відбувається повільно та дуже «жорстко».

В умовах теперішніх глибин розробки вугільних пластів руйнування вміщуючих виробку порід відбувається внаслідок дії пружної потенційної енергії гравітаційно-стиснутого масиву.

У основу фізичної моделі процесу здимання порід покладено явище втрати стійкості рівноваги, тобто явище переходу механічної системи «масив-виробка» з одного енергетичного стану в інший, більш низького рівня, який відрізняється наявністю великих зміщень порід контуру виробки.

При вирішенні задачі про втрату стійкості рівноваги встановлено залежність, яка з'єднує критичний радіус зони непружних деформацій з показником об'ємного розпушення вміщуючих порід на контурі виробки

. (1)

Фізичне тлумачення залежності полягає у тому, що при непружному розширенні порід у замкнутому об'ємі з жорсткою протидією кріплення відбувається переміщення внутрішнього контуру зони непружних деформацій. Внутрішній контур зберігає свою початкову форму до того часу, доки ці зміщення не досягнуть критичної величини (). Після цього відбувається різке змінення форми внутрішньої границі, що супроводжується зменшенням рівня потенційної енергії і значними зміщеннями породного контуру виробки.

Залежність (1) у явному виді з високою точністю у межах дійсних значень апроксимується відносно степеневою функцією

r_L=1+. (2)

Для спрощення рішення пружнопластичної рівноваги породного масиву, послабленого протяжною горизонтальною виробкою, і визначення розмірів пружнопластичної зони робиться припущення, що напруження у непорушеному породному масиві розподіляються гідростатично. За результатами рішення встановлено взаємозв'язок відносного радіуса зони непружних деформацій з параметром , який визначає гірничо-геологічні умови функціювання виробки та міцністні властивості масиву гірничих порід з урахуванням впливу на них коефіцієнтів структурного послаблення і зволоження :

. (3)

Ця залежність може бути апроксимована виразом

. (4)

У цьому рівнянні значення коефіцієнтів = 0,8 та = 0,5 були отримані О.М. Шашенко при обробці даних шахтних досліджень і перевірені на багатьох експериментальних даних, незалежно отриманих Костомаровим М.Є., Стрельцовим Є.В. і Заславським Ю.З. У 75% випадків відхилення вимірюваних величин від розрахункових не перевищує 10%.

Таким чином отримано залежність для визначення величини зони непружних деформацій навколо виробки. Чим більша величина радіусу _, тим нижча стійкість виробки, перш за все, стійкість порід підошви, схильних до здимання.

Аналіз результатів аналітичних досліджень дозволив встановити, що стійкого стану порід підошви можливо досягти двома способами - зменшуючи величину відносного об'ємного розпушення вміщуючих порід на контурі виробки, або величину відносного радіусу області непружних деформації _. Технологічно підвищити міцність приконтурного масиву в цілому можливо, змінюючи його структуру (), наприклад, шляхом ін'єктування розчинами. Запобігти зниженню міцності - шляхом збереження природної вологості порід () завдяки нанесенню тонкого ізолюючого покриття.

У третьому розділі поставлена і вирішена задача прогнозування і оцінки умов порушення стійкості виробки, яку проведено у слабкометаморфізованих породах. В умовах високої зволоженості і значної концентрації напружень вміщуючий виробку породний масив знаходиться у позамежному пружнопластичному стані, який супроводжується розширенням порід навколо виробки. Оскільки з боку підошви протидія кріплення відсутня, розширення порід у позамежному стані реалізується у вигляді здимання порід підошви. Такий процес починає здійснюватись при досягненні зоною непружних пластичних деформацій певних розмірів, тобто коли . Ця однозначна умова дозволяє з урахуванням залежностей (2) і (4) оцінити стійкість виробки у даному її перерізі S співвідношенням

, (5)

де - коефіцієнт стійкості виробки.

Граничний стан виробки у перерізі настає коли =1. Коли 1 виробка знаходиться у стійкому стані, а якщо 1 - у виробці виникає процес здимання порід підошви і вона переходить у нестійкий стан.

Отримана залежність містить параметри, які визначають умови виникнення і розвитку процесу здимання порід в умовах шахт Західного Донбасу. Серед цих параметрів суттєве значення має також, як підкреслено вище, коефіцієнт зволоження порід .

Через структурну неоднорідність масиву і змінність умов на контурі виробки (змінний обрис, неякісне заповнення закріпного простору і тому подібне), значення коефіцієнту стійкості будуть змінюватись за довжиною виробки від перерізу до перерізу випадково.

Такі об'єкти досліджуються із залученням теорії ймовірностей. У нашому випадку роль випадкової величини виконує коефіцієнт стійкості . У роботі розглядаються виробки, що споруджені в умовах, характерних для горизонтального залягання вугільних пластів Західного Донбасу. Виробки закріплені, як правило, металевим кріпленням типу КШПУ. Досліджувані для таких умов випадкові функції є стаціонарними.

Розрахунок дає точну оцінку початку процесу здимання при = 1, а в реальних умовах цю межу «розмито» внаслідок впливу випадкових чинників, урахування яких можливе на основі методів теорії випадкових функцій із використанням великого обсягу статистичного матеріалу, отриманого з натурних і лабораторних вимірів. Рішення для цих умов задачі про викиди випадкової функції за заданий рівень =1 дають можливість одержати ряд важливих для практики показників: обсяги ремонтних робіт, можливе середнє навантаження на кріплення, його середню несучу здатність і так далі.

Залежністю (5) розглядається стійкість виробки довжиною , яка може бути характеризована відношенням сумарної протяжності незруйнованих ділянок до загальної її довжини:

, (6)

де - протяжність зруйнованих ділянок виробки; - протяжність незруйнованих ділянок виробки.

Отримані залежності було перевірено стосовно умов шахти ім. Героїв космосу. Мета досліджень полягала в тому, щоб дати прогноз стійкості першого східного магістрального конвейерного штреку пласта горизонту 370 м. Попередньо були встановлені середні значення усіх вихідних величин та їх дисперсії. Було доведено, що помітний вплив вологи відчувається протягом, приблизно, 8 місяців, при цьому міцність масиву зменшується на 25% (рис. 4). Ймовірносний показник стійкості для виробок шахт Західного Донбасу зменшується за законом експоненти і лінійно залежить від величини коефіцієнту зволоження вміщуючих порід . На рис. 5 показані залежності у часі показника стійкості виробок від відповідних значень коефіцієнтів зволоження.

1 - = 1,0; 2 - = 0,75; 3 - = 0,5.

Для підвищення стійкості рекомендуються тампонаж закріпного простору з відставанням від вибою або нанесення тонкого (плівкового) набризкбетонного покриття на його відслонення, як необхідні елементи технології при спорудженні виробки.

Іншим чинником, що дозволяє підвищити стійкість виробки, є зміна умов на її контурі, тобто збільшення відпору кріплення за рахунок зміни його конструкції. Необхідність цих змін була визначена на основі вивчення характеру деформацій металевого кріплення шатрової форми КШПУ, що поширене на шахтах Західного Донбасу, а також результатів досліджень на моделях з еквівалентних матеріалів, які викладені у четвертому розділі дисертації. Для моделювання на плоскому стенді були визначені основні критерії подібності, а також параметри еквівалентного матеріалу. На початку випробувань на поверхню моделі наносилася мірна сітка, деформація елементів якої дозволяла оцінити стан виробки, що моделювалася, і несучу здатність того чи іншого кріплення, а також відносну величину здимання порід підошви. Деформації елементів мірної сітки фіксувалися на кожній стадії навантаження. На стенді було випробувано такі моделі металевого кріплення: аркове типове з прямолінійними стояками, аркове шатрової форми, аркове з лежнем, кільцеве, аркове підковоподібне.

Всього було випробувано 60 моделей - по 10 для кожного типу кріплення.

Для визначення його геометричних параметрів було розроблено розрахункову схему двохшарнірної арки підковоподібної форми. За допомогою методів будівельної механіки, послідовно, були визначені невідома реакція в опорі

,

,

а також рівняння нульових моментів

,

в якому при .

Це дозволило для конкретних умов визначити параметри форми криволінійного стояка підковоподібного кріплення, за яких буде забезпечена його максимальна несуча здатність

.

Порівняння епюр вигинаючих моментів, які виникають в елементах конструкції типового аркового та підковоподібного кріплення за однакових умов навантаження, підтверджує результати моделювання щодо підвищеної несучої здатності останнього.

Виконані дослідження дозволили встановити, що несуча здатність металевого аркового кріплення прямо пропорційна величині загину стояків, криволінійна форма яких визначається співвідношенням складових вертикального і бокового зовнішнього навантаження.

Перевірку результатів виконаних досліджень було проведено при спорудженні 840 бортового штреку пластана горизонті 485 м шахти «Західно-Донбаська». Всього було виготовлено 62 комплекти кріплення підковоподібної форми, яким було закріплено ділянку штреку довжиною 50 м поміж пікетами №101 та №106. Міжрамна відстань дорівнювала 0,8 м. На експериментальній і контрольних ділянках штреку було закладено спостережні станції, на яких у фіксованих точках за допомогою кривизновимірювача визначалися величини деформації профілю, а за вимірами відстаней між стержнями контурних реперів - величини зміщення породного відслонення.

Результати шахтного експерименту підтвердили висновки теоретичних і лабораторних досліджень. Експериментальна ділянка штреку знаходиться у задовільному експлуатаційному стані і не потребує додаткових витрат на відновлення.

Висновки

Дисертація є завершеним науковим дослідженням, у якому вирішено актуальну науково-технічну задачу підвищення стійкості гірничих виробок в умовах слабкометаморфізованих порід, схильних до здимання, на підставі встановлення з використанням ймовірнісно-статистичних моделей закономірностей змінення стійкості виробок та застосування розробленої для умов шахт Західного Донбасу конструкції підковоподібного металевого кріплення.

Для розв'язання цієї задачі було використано методи аналізу та узагальнення науково-технічних результатів, лабораторні, натурні та аналітичні дослідження із застосуванням методів будівельної механіки та механіки підземних споруд, теорій ймовірності, подібності і розмірностей.

Основні наукові висновки та практичні рекомендації, одержані у дисертації, базуються на результатах критичного аналізу питань забезпечення стійкості виробок та розрахунків металевого кріплення; теоретичних та практичних досліджень заходів підвищення стійкості виробок в умовах слабкометаморфізованих, схильних до здимання порід підошви; результатах лабораторних досліджень з визначення раціональної конструкції металевого кріплення криволінійної форми та експериментальної перевірки запропонованого способу підвищення стійкості виробок в умовах шахт Західного Донбасу.

Таким чином основні результати зводяться до наступного:

1. Вирішення пружнопластичної задачі для умов слабкометаморфізованих, схильних до розмокання порід Західного Донбасу, дало можливість отримати закономірності переходу породного масиву у позамежний стан; визначити розміри зони непружних деформацій. Отримані залежності добре узгоджуються з результатами натурних вимірів.

2. На основі аналізу формування пружнопластичної зони навколо виробок, від розмірів якої залежить їх стан, з урахуванням чинника часу отримано вираз коефіцієнту стійкості для реальних кількісних оцінок стану у породах, що здимаються. Коефіцієнтом стійкості виробки є відношення критичного радіуса зони непружних деформацій, що залежить від властивостей вміщуючих порід і показника їх об'ємного розпушення у позамежному стані, до реального радіуса зони непружних деформацій, обумовленого гірничо-геомеханічними умовами експлуатації виробки. Ймовірнісний показник стійкості виробки зменшується у часі за законом експоненти, параметри якої характеризують гірничо-геологічні умови розробки вугільних пластів. Установлені аналітичні залежності дають можливість у реальних умовах вирішувати питання прогнозування стійкості виробок при їх проектуванні та експлуатації, а також виконувати кількісний аналіз впливу різноманітних чинників на стійкість виробки з вирішенням конкретних прикладних завдань.

3. На прикладах наявного досвіду виникає можливість істотно підвищити стійкість виробок за рахунок збереження природної вологості масиву вміщуючих гірських порід шляхом застосування фізико-хімічної обробки та герметизуючих полімерних покриттів.

4. Застосування металевого кріплення підковоподібної форми замість арок з вертикальними стояками і шатрових дозволить зменшити обсяг підривання порід підошви і перекріплення виробок, що у теперішніх економічних умовах роботи шахт може стати цілком конкурентоспроможним у порівнянні з відомим, радикальним, але великовитратним способом боротьби із здиманням порід - застосуванням кільцевого кріплення.

5. З урахуванням отриманих результатів досліджень рекомендується:

5.1. При проектуванні спорудження виробок використовувати розроблений аналітичний метод прогнозування їх стійкості з аналізом можливих ефективних варіантів підтримки, розраховувати їх стійкість при впровадженні нових заходів.

5.2. Для запобігання вологонасичення слабкометаморфізованих глинистих порід проводити їх фізико-хімічну обробку і створювати герметизуюче полімерне покриття, що дозволить зберегти їх природну міцність.

5.3. З метою скорочення обсягів перекріплення виробок і підривання підошви застосувати розроблену конструкцію арочного кріплення ПКА, форма якого найбільш повно відповідає розглянутим у роботі умовам підтримання виробок.

6. Обгрунтованість та достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджується: використанням апробованих методів аналітичних, лабораторних та шахтних досліджень; коректністю поставлених задач, задовільною збіжністю результатів досліджень; позитивним результатом застосування розробленого металевого підковоподібного кріплення у шахтних умовах. Результати досліджень рекомендовані для використання на шахтах ДХК «Павлоградвугілля».

Список основних опублікованих робіт здобувача за темою дисертації

Устойчивость магистральных выработок Западного Донбасса в оценках случайного влияния на основе вероятностно-статистических моделей геомеханических факторов // Парчевский Л.Я., Костогрыз В.И., Татаринов А.А. и др. - Горный инф.-ан. бюллетень, Вып. №3. - Москва, МГГУ, 1998. - С. 180-184.

Парчевский Л.Я., Шашенко А.Н., Татаринов А.А. Устойчивость выработок в условиях пучащих пород в статистических оценках // Геотехническая меха-ника. Межведомственный сборник научных трудов, Вып. №3. - Днепропетровск, ИГТМ НАН Украины, 1997. - С. 24-32.

Сдвижкова Е.А., Татаринов А.А., Рубец Г.Т. Анализ статистических моделей распределения нагрузки на крепь горизонтальных протяженных выработок // Науковий вісник, №1, Дніпропетровськ, НГА України, 1998. - С. 40-41.

Тулуб С.Б., Татаринов А.А., Костогрыз В.И. Выбор рациональных параметров конструкций рамных крепей для условий шахт Западного Донбасса // Науковий вісник, №2, Дніпропетровськ, НГА України, 1998. - С. 6-8.

Размещено на Allbest.ru