Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

УДК 622.281.74

Спеціальність 05.15.04 - "Шахтне та підземне будівництво"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Обґрунтування параметрів анкерного кріплення капітальних похилих виробок в умовах шахт ДХК "Добропіллявугілля"

Терещук Роман Миколайович

Дніпропетровськ-2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі будівельних геотехнологій і конструкцій Національного гірничого університету

Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Шашенко Олександр Миколайович, завідувач кафедри будівельних геотехнологій і конструкцій Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Парчевський Леонід Якович, професор кафедри маркшейдерії Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

- кандидат технічних наук Кириченко Володимир Якович, директор Західно-Донбаського науково-виробничого центру "Геомеханіка" Міністерства палива та енергетики України (м. Павлоград)

Провідна установа: Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра гірничого, промислового та цивільного будівництва

Захист дисертації відбудеться "13" грудня 2002 р. о 12:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04

при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49027, Україна, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19)

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого універ-ситету Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, просп. К.Маркса, 19).

Автореферат розіслано "12" листопада 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, доцент О.В. Солодянкін

Анотації

Терещук Р.М. Обґрунтування параметрів анкерного кріплення капітальних похилих виробок в умовах шахт ДХК "Добропіллявугілля". - Рукопис.

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

У дисертації обґрунтовані параметри кріплення анкерним кріпленням капітальних похилих виробок, розташованих поза зоною впливу очисного простору.

В якості базових були визначені капітальні похилі виробки шахти "Алмазна", в яких виконано візуальне обстеження стану кріплення. В результаті отриманої інформації були встановлені найбільш характерні види руйнувань і деформацій елементів кріплення.

Виконано моделювання виробок, закріплених анкерним кріпленням, на плоскому стенді з застосуванням еквівалентних матеріалів. Встановлено, що найбільшу стійкість мають похилі виробки, закріплені анкерним кріпленням, з наступними параметрами: довжина анкера - 2,2…2,5 м, щільність анкерування - 0,8...1,2 шт/мІ.

Аналітичні дослідження з використанням чисельного методу (метод скінчених елементів) підтвердили правильність висновків, отриманих в результаті виконання натурних і лабораторних експериментів. Встановлені закономірності зміни напружено-деформованого стану приконтурного масиву (однорідного і неоднорідного) при установці у виробці анкерних систем.

Встановлені закономірності й отримані на їх основі технічні рішення покладені в основу рекомендацій із кріплення анкерним кріпленням похилих виробок шахти "Алмазна" ДХК "Добропіллявугілля". Передбачуваний (розрахунковий) економічний ефект від реалізації запропонованого способу кріплення виробок складе по шахті "Алмазна" 144 тис. грн.

Результати досліджень опубліковано в 7 наукових працях.

Ключові слова: капітальна похила виробка, шаруватий масив, позамежне деформування гірських порід, розміри зони непружних деформацій, величина зсуву контуру виробки, анкерне кріплення.

Терещук Р.Н. Обоснование параметров анкерной крепи капитальных наклонных выработок в условиях шахт ГХК "Добропольеуголь". - Рукопись.

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

В диссертации изложены результаты исследований крепления анкерной крепью капитальных наклонных выработок, расположенных вне зоны влияния очистного пространства, угольных шахт ГХК "Добропольеуголь".

Выполненный анализ литературных источников по проблеме крепления горных выработок показал, что перспективное направление в улучшении состояния выработок связано с укреплением, сохранением целостности окружающего выработку массива и использование его несущей способности как элемента крепи.

Выполнен анализ производственной деятельности ГХК "Добропольеуголь", за последние годы, на основе которого доказана актуальность данных исследований.

В качестве базовых были определены капитальные наклонные выработки шахты "Алмазная", в которых проводилось визуальное обследование состояния крепи. В результате полученной информации были установлены наиболее характерные виды разрушений и деформаций элементов крепи.

На основе натурных исследований были разработаны требования к способу крепления наклонных выработок и выполнено его моделирование на плоском стенде с применением эквивалентных материалов. Подбор и испытания эквивалентных материалов (песчано-парафино-графитовая смесь с добавлением технического вазелина) для изготовления моделей были направлены в сторону изыскания удобообрабатываемых смесей, которые по своим физико-механическим свойствам обеспечивали подобие с горными породами. В ходе исследований было испытано 10 различных составов эквивалентного материала. Для каждого состава было проведено 6 серий испытаний. В результате определены 4 состава, которые по своим физико-механическим параметрам наиболее полно воспроизводят свойства горных пород шахт ГХК "Добропольеуголь". По каждому варианту моделирования на плоском стенде было испытано не менее трех моделей, а всего - 60 моделей. Установлено, что наибольшей устойчивостью обладают наклонные выработки, закрепленные анкерной крепью, со следующими параметрами: длина - 2,2…2,5 м, плотность анкерования - 0,8…1,2 шт/мІ.

Аналитические исследования с использованием численного метода (метод конечных элементов) подтвердили правильность выводов, полученных в результате выполнения натурных и лабораторных экспериментов. Установлены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния приконтурного массива (однородного и неоднородного) при установке в выработке анкерных систем. Установлено, что применение анкерных систем в выработках, пройденных в однородном породном массиве, уменьшает поднятие почвы на 15…20%, а в выработках, пройденных в неоднородном породном массиве, практически не влияет на процессы, происходящие в почве. Получены зависимости изменения поперечного сечения капитальных наклонных выработок, пройденных в однородном и неоднородном породном массиве, от плотности анкерования и длины анкеров.

Установленные закономерности и полученные на их основе технические решения легли в основу рекомендаций по креплению анкерной крепью наклонных выработок ГОАО шахты "Алмазная" ГХК "Добропольеуголь".

Предполагаемый (расчетный) экономический эффект от реализации предложенного способа крепления выработок составит по шахте "Алмазная" 144 тыс. грн.

Результаты исследований опубликованы в 7 научных работах.

Ключевые слова: капитальная наклонная выработка, слоистый массив, запредельное деформирование горных пород, размеры зоны неупругих деформаций, величина смещения контура выработки, анкерная крепь.

Tereschuk R.N. The substantiation of anchor support parameters of capital inclined workings under the condition of mines SHC "Dobropoliyeugol". - Manuscript.

The dissertation on obtaining a scientific degree of the candidate of engineering science in specialty 05.15.04 - "Mine and Underground Construction". National Mining University of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Dnipropetrovsk, 2002.

In the dissertation the parameters of fastening of anchor support of capital inclined workings located outside of a zone of influence of clearing space are proved.

As base the capital inclined workings of mine "Almaznaya" were determined, in which the visual inspection of a condition support was carried out. The modeling of workings fixed of anchor support, on the flat stand with application of equivalent materials was carried out. There were 60 models tested. It is established, that the inclined workings fixed of anchor support, with the following parameters: length anchor - 2,2…2,5 m, density anchor supporting - 0,8…1,2 anc/m² have the greatest stability.

The analytical researches, with use of a numerical method, have proved conclusions received as a result of performance mine and laboratory experiments. The dependences of change stress deformed condition of containing massive (homogeneous and non-uniform) at anchor systems installation in working are established.

The established dependences and technical decisions, received on their bases, led in a basis of the recommendations on fastening of anchor support of inclined workings of mine "Almaznaya" SHC "Dobropoliyeugol". The expected economic benefit of realization of the offered way of fastening of workings will make on mine "Almaznaya" 144000 hryvnas. The results of researches are published in 7scientific works.

Key words: capital inclined working, layered massive, transelastic deformations of mine rocks, sizes of not elastic deformations zone, size of contour working displacement, anchor support.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Вугільна промисловість - одна з ведучих галузей народного господарства, найважливіша задача якої в умовах ринкової економіки складається, насамперед, у підвищенні продуктивності праці і зниженні собівартості продукції.

Інтенсифікація очисних робіт, збільшення площі перерізу виробок, постійне зростання глибини розробки привели до істотного погіршення умов будівництва та експлуатації гірничих виробок.

Великим резервом підвищення ефективності роботи шахт є удосконалювання способів кріплення і підтримки підготовчих виробок, створення та широке впровадження надійних і економних видів кріплення.

Напрямок на збільшення несучої здатності традиційних видів кріплення огороджуючого типу для забезпечення експлуатаційного стану виробок себе не виправдав. Так, з 1970 р. середня несуча здатність кріплення гірничих виробок зросла більш ніж у 2 рази. Однак витрати на підтримання зросли в 2,4 рази, вартість кріплення збільшилась у 2,3 рази. Перспективний напрямок в поліпшенні стану виробок, як показав досвід останніх років, пов'язаний із зміцненням породного масиву навколо виробки та використанням його несучої здатності як елемента кріплення. Такий принцип роботи має анкерне кріплення, яке, до того ж, забезпечує скорочення трудомісткості робіт із кріплення, зниження витрат, поліпшення умов праці і значне підвищення техніко-економічних показників видобутку вугілля. Обмежене застосування анкерного кріплення на вугільних шахтах України пояснюється недовірою працівників шахт до цього виду кріплення через непередбачуваність режиму її роботи, відсутністю досвіду експлуатації і контролю за станом кріплення. У зв'язку з цим дослідження закономірностей взаємодії системи "анкер-породний масив" і розробка методики для обґрунтування параметрів анкерного кріплення є актуальною задачею, що має важливе наукове і практичне значення, рішенню якої і присвячена дисертація.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконані відповідно до тематичного плану науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України відповідно до пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки "Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології" по держбюджетним темам ГП-257 (№ держреєстрації 0100U001824) і ГП-274 (№ держреєстрації 0100U001792) у Національній гірничій академії України.

Мета і задачі дослідження:

Ціль досліджень полягає в обґрунтуванні параметрів анкерного кріплення для капітальних похилих виробок в умовах вугільних шахт ДХК "Добропіллявугілля".

Основна ідея полягає у використанні закономірностей взаємодії анкерних систем з породним масивом у приконтурній зоні капітальних похилих виробок для обґрунтування параметрів анкерного кріплення.

Об'єктом досліджень є стійкість похилих і горизонтальних виробок вугільних шахт, пройдених в неоднорідному породному масиві поза зоною впливу очисних робіт.

Предметом досліджень є параметри анкерного кріплення, що взаємодіє з породним масивом навколо виробки.

Основні задачі досліджень:

- аналіз і узагальнення літературних джерел та виробничого досвіду за темою дисертації;

- обстеження капітальних похилих виробок шахт ДХК "Добропіллявугілля";

- вивчення закономірностей пружнопластичного деформування неоднорідного породного масиву навколо виробки, що закріплена анкерним кріпленням;

- визначення достатньої кількості анкерів, що встановлюються у виробці, для забезпечення її експлуатаційного стану в конкретних гірничо-геологічних умовах;

- визначення раціональної довжини анкера.

Методи дослідження. Методичну основу досліджень складає комплексний підхід, що включає аналіз і узагальнення літературних джерел за темою дисертації, шахтні візуальні та інструментальні спостереження, математичне моделювання з використанням чисельного методу (метод скінчених елементів), фізичне моделювання на моделях з еквівалентних матеріалів, проведення промислових випробувань.

Основні наукові положення, що захищаються в дисертації:

- розміри зони зруйнованих порід навколо виробки аркової форми з анкерним кріпленням, не залежать від параметрів кріплення, а визначаються фізико-механічними властивостями гірських порід, глибиною закладення виробки і параметрами початкового поля напружень;

- зсуви контуру виробки в умовах "жорсткого" деформування приконтурного масиву визначаються величиною об'ємного розпушення порід і нелінійно за-лежать від числа і довжини анкерів, що дозволяє залежно від призначення виробки вибирати раціональні параметри анкерного кріплення.

Наукова новизна одержаних результатів досліджень полягає в тому, що:

- вперше розроблена пружнопластична чисельна математична модель системи "анкер-породний масив", яка дозволяє встановити закономірності зміни напружено-деформованого стану неоднорідного приконтурного породного масиву, що відрізняється врахуванням позамежного деформування гірських порід і завданням граничних умов на контакті "анкер-порода";

- доведено, що зміна кількості анкерів від 1 до 9 і довжини анкерів від 0,5 до 3 метрів не впливає на розміри зони непружних деформацій навколо виробки при закладенні її на великих глибинах;

- встановлено, що застосування анкерних систем у виробках, що пройдені в однорідному породному масиві, зменшує підняття підошви на 15...20%, а у виробках, що пройдені у неоднорідному породному масиві, практично не впливає на процеси, що відбуваються в підошві;

- вперше встановлені залежності зміни поперечного перерізу капітальних похилих виробок, пройдених в однорідному і неоднорідному породному масиві, від щільності анкерування та довжини анкерів, що дозволяє вибирати найбільш раціональні параметри анкерного кріплення.

Наукове значення роботи полягає в розкритті закономірностей зміни напружено-деформованого стану приконтурного масиву (однорідного і неоднорідного) при установці у виробці анкерних систем.

Практичне значення одержаних результатів полягає в обґрунтуванні параметрів ресурсозберігаючого виду кріплення і розробці рекомендацій із кріплення капітальних похилих виробок шахт ДХК "Добропіллявугілля" поза зоною впливу очисних робіт на прикладі шахти "Алмазна".

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджується коректністю поставлених задач, використанням апробованих методів механіки суцільного середовища, чисельних методів, задовільною (до 15%) збіжністю результатів аналітичних і натурних досліджень, адекватністю розробленої математичної моделі.

Реалізація результатів досліджень. Результати досліджень рекомендовані до використання на шахті "Алмазна" при кріпленні південного панельного уклону пласта та в похилих виробках інших шахт ДХК "Добропіллявугілля".

Особистий внесок автора полягає у формулюванні наукової мети, задач, наукових положень, у розробці методики досліджень, в аналізі результатів лабораторних і теоретичних досліджень, видачі рекомендацій про вибір параметрів кріплення гірничих виробок.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи докладені, обговорені і схвалені на засіданні науково-технічної ради шахти "Алмазна" ДХК "Добропіллявугілля", на засіданнях кафедри будівельних геотехнологій і конструкцій НГУ (2000-2002 р.р.), а також на регіональній науково-технічній конференції "Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений" (м. Донецьк, 2002 р.) і на студентських науково-технічних конференціях 2001-2002 р.р. (м. Дніпропетровськ, НГУ).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 7 наукових праць, у тому числі 5 у фахових виданнях та 2 у збірниках матеріалів науково-технічних конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновку, списку використаних джерел з 152 найменувань і додатка. Містить 113 сторінок машинописного тексту, 68 рисунків і 16 таблиць. Загальний обсяг 162 сторінки.

Основний зміст роботи

Традиційними джерелами енергії в даний час є мінеральні енергоносії - нафта, природний газ, вугілля.

За останні 15...20 років в Україні питома вага вугілля у виробництві електроенергії знизилася. Однак великі запаси цього виду органічного палива орієнтують народне господарство країни на інтенсивний розвиток вугільної промисловості.

Важливим чинником, що визначає стан вугільної промисловості країни і перспективи її подальшого розвитку, є питання забезпечення експлуатаційного стану гірничих виробок протягом усього терміну їх цільового використання.

Проблема забезпечення стійкості гірничих виробок набуває особливо великого значення зі збільшенням глибини розробки. Середня глибина розробки вугільних родовищ в Україні наближається до 800 м.

Біля 96% протяжності гірничих виробок закріплені довгостроковим кріпленням, у тому числі 85% - металевим кріпленням, але об'єми ремонту виробок із року в рік збільшуються.

Незважаючи на великий об'єм ремонтних робіт і їх високу трудомісткість протяжність виробок із незадовільним станом залишається значною і в цілому по вугільним шахтах України на 2001 р. склала 16%.

Проблема підвищення стійкості до тепер цілком не вирішена і вимагає створення, промислового освоєння і впровадження ефективних конструкцій кріплення підготовчих виробок і засобів механізації їх зведення.

На вугільних шахтах за кордоном визначилась стійка тенденція до зростання об'ємів застосування анкерного кріплення, які на сьогодні складають: Австралія - 87%, КНР - 83%, США - 52%, Англія - 41%.

Обмежене застосування анкерного кріплення на вугільних шахтах України (0,15%) пояснюється недовірою працівників шахт до цього виду кріплення через непередбачуваність режиму її роботи, відсутністю досвіду експлуатації і контролю за станом кріплення.

У науковій літературі відома велика кількість робіт присвячених обґрунтуванню основних параметрів анкерного кріплення. Це роботи А.П. Широкова, Б.К. Чукана, О.О. Борисов, І.А. Юрченка, А. Югона, А. Коста.

Однак, існуючі способи і методи визначення основних параметрів анкерного кріплення не дозволяють вирішити задачу вибору параметрів анкерування виробок у залежності від різних гірничо-геологічних умов.

У якості об'єкта досліджень були обрані похилі виробки шахти "Алмазна". Попередньо був зібраний матеріал про стан виробок на шахті за 1996...2000 рр.

Проводилось візуальне обстеження стану виробок, у процесі якого визначалися:

1) найбільш характерні види руйнування і деформації елементів кріплення;

2) показник стійкості виробок за виразом:

,

де , - відповідно загальна кількість арок кріплення на ділянці і кількість зруйнованих арок.

Загальна протяжність обстежених ділянок склала 2520 м. Значна частина виробок шахти "Алмазна" закріплена арковим металевим кріпленням.

Вивчаючи характер деформування арок можна відзначити, що в більшості випадків втрата стійкості супроводжується прогином верхняків і розривом замків. Характер деформування арок є наслідком руйнування порід в верхній частині виробки, їх відривом від масиву та формуванням, таким чином, підвищеного вертикального навантаження.

Кріплення виробок типовим арковим кріпленням огороджуюче-піддержуючого типу не забезпечує достатню їх стійкість. Середній показник стійкості похилих виробок складає W_cеp = 0,43. Також проблемою на шахті є недостача кріпильного матеріалу і непідготовленість запасів до виїмки.

Успішне подолання труднощів постачання шахт металокріпленням і вирішення питання забезпечення стійкості капітальних похилих гірничих виробок можливо при застосуванні нових технологій проходження виробок і використання більш ефективних видів кріплення, які попереджують руйнування масиву навколо виробки та використовують його несучу здатність. Одним з таких видів є анкерне кріплення, яке також дозволяє значно знизити витрати металу для кріплення.

Застосування анкерного кріплення потребує обґрунтування його основних параметрів - довжини анкерів, щільності встановлення для умов ДХК "Добропіллявугілля". Досягнення поставленої цілі потребує, насамперед, вивчення закономірностей взаємодії анкерних систем з породним масивом у приконтурній зоні капітальних похилих виробок.

Проведення таких досліджень в натурних умовах являє надто складну задачу і не дозволяє провести весь цикл випробувань. Тому було проведено моделювання шахтної ситуації в лабораторних умовах. При вирішенні задач геомеханіки найбільше освоєним, широко застосовуваним та достатньо вірогідним є метод моделювання на еквівалентних матеріалах.

Метод докладно описаний у роботах Г.М. Кузнєцова, О.М. Ільштейна, О.М. Шашенка, рекомендації яких були використані при виконанні даних досліджень.

Добір та випробування еквівалентних матеріалів для виготовлення моделей були спрямовані у бік вишукування зручнооброблювальних сумішей, які не мали б тривалого строку тужавлення і твердіння, не залежали від впливу вологості, були б придатні до повторного використання після іспитів у моделі, а за своїми фізико-механічними властивостями забезпечували подобу з гірськими породами. Компоненти еквівалентних матеріалів повинні бути доступні і дешеві. У якості еквівалентного матеріалу була прийнята пісчано-парафіно-графітова суміш із додавання технічного вазеліну.

Визначення межі міцності при стисненні, модуля пружності і коефіцієнта Пуассона робили на циліндричних зразках за допомогою малогабаритного пресу.

Під час досліджень було випробувано 10 різних складів еквівалентного матеріалу. Для кожного складу було проведено 6 серій іспитів. У результаті визначені 4 склади, що за своїми фізико-механічних параметрами найбільш повно відтворюють властивості гірських порід шахт ДХК "Добропіллявугілля". Результати іспитів еквівалентного матеріалу приведені в табл.

Роботи з моделювання виконувалися на спеціальному стенді, що представляє собою плоску камеру з передньою стінкою з оргскла і систему важільних домкратів. Масштаб моделювання був прийнятий 1:50. Мінімальна кількість іспитів для кожного варіанта моделі була прийнята рівною 3. Усього було випробувано 60 моделей.

Таблиця - Основні фізико-механічні параметри еквівалентного матеріалу

Характеристика матеріалу	Склад №1	Склад №2	Склад №3	Склад №4
	Натури	Моделі	Натури	Моделі	Натури	Моделі	Натури	Моделі
1. Межа міцності на одновісьове стиснення, МПа	30	0,2-0,22	40	0,23-0,28	65	0,42-0,46	100	0,6-0,7
2. Модуль Юнга, МПа	0,8104	1,15106	0,9104	1,3106	1,5104	2,07106	3,2104	4,21106
3. Об'ємна маса, т/м 3	2,5	1,6…2,0	2,5	1,6…2,0	2,6	1,6…2,0	2,6	1,6…2,0
4. Коефіцієнт Пуассона	0,23	0,23	0,23	0,23	0,21	0,21	0,21	0,21

На першому етапі моделювання була визначена достатня щільність встановлення анкерів. Дослідження виконувались на моделях з еквівалентних матеріалів для однорідного середовища.

На другому етапі моделювалось шарувате середовище, яке відтворює гірничо-геологічні умови пласта шахти "Алмазна" ДХК "Добропіллявугілля". Були визначені раціональні довжини анкерів та щільність їх встановлення при неоднорідному породному масиві, а також вивчалося поводження приконтурного масиву гірничої виробки, закріпленої анкерним кріпленням. За результатами дослідження побудовані залежності зміни поперечного перерізу виробки від кількості анкерів і їх довжини.

Кількісна оцінка величини деформацій масиву проводилась шляхом вимірювання довжини діагоналі фіксованого квадрата мірної сітки на початку й кінці -го етапу навантаження. Вихідні квадрати виділяються в покрівлі та боках виробки. Відношення значень деформацій масиву в боках та покрівлі виробки, незакріпленої та закріпленої анкерним кріпленням (=7 шт, = 50 мм (2,5 м)), складає 2,3 та 2,8, відповідно.

Достатня щільність встановлення анкерів знаходиться в межах 1,0 на 1 мІ. Раціональна довжина анкера знаходиться в межах 44...50 мм (2,2...2,5 м).

Для вирішення задач, що поставлені у даній роботі, крім експериментальних методів дослідження використовувалися й аналітичні методи.

Як спосіб вирішення граничної задачі про напружено-деформований стан (НДС) масиву навколо виробки, що закріплена анкерним кріпленням, використовуємо метод скінчених елементів (МСЕ). Цей метод досить широко апробований і на практиці довів свою застосовуваність для рішення задач геомеханіки. Його суть полягає в тому, що досліджувана область розбивається на безліч підобластей (елементів) ^k. Для кожного елемента формулюється локальна матриця жорсткості, що зв'язує переміщення й навантаження в його вузлах. Елементи стикуються по вузлах. Це дозволяє, в остаточному підсумку, сформулювати глобальну матрицю жорсткості і глобальний вектор навантажень для всієї області, що досліджується.

В даний час існує велика кількість пакетів прикладних програм, що дозволяють реалізувати МСЕ. Одним з найбільш удалих пакетів для оцінки НДС навколо виробок є Cosmos/M.

У дисертації розглянута пружнопластична задача з урахуванням того, що приконтурний породний масив деформується за межею міцності.

Процедура рішення реалізована у вигляді послідовності ітерацій. На першому етапі передбачається, що навколишній виробки масив є цілком пружним. Задаються його фізико-механічні параметри. Потім з використанням пакета Cosmos/M вирішується лінійна статична задача і визначається напружено-деформований стан для даного етапу.

Визначений НДС використовується для визначення границі області розпушення на даній ітерації. За критерій руйнування прийнята формула Л.Я. Парчевського - О.М. Шашенка, що має вгляд:

,

де - величина відношення межі міцності на розтягнення до межі міцності на стиснення; ₁ і ₃ - головні значення тензора напружень.

= R_p/R_c

На другому етапі необхідно змінити вихідні параметри задачі для наступних рішень. З цією метою формується командний файл для Cosmos/M. Спеціальна програма, написана мовою програмування C++, сканує базу даних Cosmos/M і визначає зону розпушення (тобто ті елементи, для яких на даному етапі рішення отримане _e>R_c). Для цих елементів видозмінюються властивості матеріалу. Саме, замість закону Гука для співвідношень зв'язку "напруження-деформації" задається спадаюча ділянка діаграми.

Після цього процедура рішення повторюється. Взявши за основу отримані в першому рішенні пружної задачі деформації {е}, за виразом {у}=f({е}) визначається відповідна величина напружень нелінійного елемента. Якщо різниця напружень перевищує деяку заздалегідь задану величину, що відповідає необхідній точності рішення, відбувається другий крок ітерації. Знову вирішується лінійна пружна задача, але при складанні матриці пружних властивостей замість модуля Е₀, вводиться січний модуль Е₁. При необхідності змінюється і коефіцієнт Пуассона. Подальший процес ітерації продовжується аналогічним чином до досягнення заданої точності. Лінійні задачі на кожнім кроці наближення вирішуються з матрицею жорсткості системи, що складена на основі січних модулів. Січні модулі в різних елементів змінюються по-різному, в залежності від рівня їх навантаження.

Для даної і наступних ітерацій використовується нелінійний (NSTAR) модуль Cosmos/M. Виконується нове рішення задачі, у процесі якого знову визначаються елементи ^k, для яких виконується умова _e>R_c і т.п. Коли на деякій ітерації не виникає більш новий (додатковий) набір елементів, у яких ефективні напруження перевищують межу міцності на стиснення, процес визначення зони розпушення вважається закінченим.

Напружено-деформований стан нелінійного середовища може істотно залежати від послідовності додавання заданого кінцевого навантаження. Тому одержання вірного рішення може бути з введенням в розрахунок відповідної послідовності навантаження.

Спочатку до області прикладається лише деяка частина (інкремент) розрахункового навантаження. Вирішується відповідна лінійна задача і визначається напружено-деформований стан. Напруження в елементах і переміщення вузлів запам'ятовуються. Потім прикладається наступний інкремент навантаження і визначається відповідний йому напружено-деформований стан. Напруження в елементах і вузлові переміщення додаються. В даній роботі було прийнято 10 кроків навантаження.

З метою перевірки чисельного моделювання була розглянута виробка у виді круглого отвору, що піддається гідростатичному тиску.

Відповідно до рішення задачі, радіус зони непружних деформацій r_l, що віднесений до радіуса виробки r₀, дорівнює 2,8. У роботі О.М. Шашенка для тієї ж задачі теоретично визначене критичне значення співвідношення r_l/r₀. Воно складає 2,68. Таким чином, можна відзначити досить задовільний збіг точних (теоретичних) і чисельних розрахунків.

На основі отриманих результатів досліджується НДС гірської породи навколо капітальної похилої виробки аркової форми, що пройдена: I задача - в однорідному породному масиві, II задача - у неоднорідному породному масиві.

Для розбивки області використовуються лінійні чотирикутні плоскі елементи.

Наявність анкера у порідному середовищі моделювалась таким чином. Спочатку вирішувалась пружнопластична задача для виробки аркової форми без кріплення. Для цього випадку встановлювались радіальні переміщення навколо виробки. Потім радіальне переміщення на відстані, що дорівнює довжині анкера - U_a, приймалось постійним по всій його довжині до контура виробки, тобто до точки установки анкера.

Під час розрахунків прийнято, що виробка розташована на глибині 800 м, що відповідає гірничому тиску (прийнятому гідростатичним) приблизно 208 кгс/смІ. Відносний радіус зони розпушення r_l/r₀ для однорідного середовища дорівнює 2,4, для неоднорідної - 2,48. Радіус зони розпушення для всіх вирішених задач для заданих глибин і порід практично однаковий.

Максимальні результуючі переміщення зменшуються в 1,47 і 1,49 рази для однорідного і неоднорідного масиву, відповідно. Величина відношення _еR_с у деякому обраному вузлі на склепі виробки зменшується в 1,9 і 1,93 рази для однорідного і неоднорідного масиву.

Для визначення площ поперечного перерізу виробок розроблена спеціальна програма, написана мовою програмування C++, що сканує базу даних Cosmos/M і визначає шукані величини.

Достатня щільність встановлення анкерів знаходиться в межах 0,8…1,2 шт/мІ. Раціональна довжина анкера знаходиться в межах 2,2…2,5 м.

Для проведення шахтних досліджень була обрана експериментальна ділянка в похилій виробці (південний панельний уклон), що проводиться по пласту.

Затягування покрівлі й боків виробки виконується суцільно за допомогою вантажонесучих металевих сіток із вічками не більш 100100 мм.

При інструментальних маркшейдерських дослідженнях фіксувалася величина зсувів елементів контуру кріплення й виробки в часі.

Шахтні спостереження показали:

1. Встановлення анкерного кріплення практично не впливає на швидкість і величину зсувів підошви виробки, що підтверджується результатами аналітичних і лабораторних досліджень.

2. Величина зсуву порід покрівлі при анкерному кріпленні значно менше (у 2-3 рази), чим при арковому.

3. Параметри анкерного кріплення: щільність 1 шт/мІ і довжина 2,5 м є достатніми для підтримки капітальних похилих виробок в умовах шахт ДХК "Добропіллявугілля" в експлуатаційному стані весь термін служби.

Передбачуваний економічний ефект від реалізації запропонованого способу кріплення виробок, що розрахований по прямих витратах, складе по шахті "Алмазна" 144 тис. грн.

Висновки

кріплення шахта деформація анкерний

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, у якій на основі вперше встановлених для умов шахт ДХК "Добропіллявугілля" закономірностей взаємодії анкерного кріплення і приконтурного породного масиву вирішена актуальна науково-технічна задача підвищення стійкості капітальних похилих виробок поза зоною впливу очисного простору.

Основні наукові і практичні результати роботи полягають у наступному:

Виконаний аналіз стану протяжних гірничих виробок вугільних шахт і обсягів застосування різних видів кріплення в Україні і за кордоном. Зроблена оцінка ефективності використання відомих засобів і способів підвищення стійкості виробок.

Виконаний аналіз виробничої діяльності шахт ДХК "Добропіллявугілля" і проведене обстеження протяжних гірничих виробок, що дозволило визначити мету і сформулювати основні задачі досліджень, що полягають в обґрунтуванні параметрів анкерного кріплення для капітальних похилих виробок.

Доведено на моделях з еквівалентних матеріалів, що можлива заміна аркового кріплення на анкерне для похилих капітальних виробок в умовах шахт ДХК "Добропіллявугілля", при достатній щільності встановлення анкерів у межах 0,83...1,0 шт/мІ і раціональній довжині - 2,2...2,5 м.

На основі аналітичних досліджень доведено, що розміри зони зруйнованих порід навколо виробки аркової форми, що закріплена анкерним кріпленням, не залежать від щільності анкерування і довжини анкера, а визначаються фізико-механічними властивостями гірських порід і параметрами початкового поля напружень. Зсув контуру виробки в умовах "жорсткого" деформування приконтурного масиву визначається величиною об'ємного розпушення порід і нелінійно залежать від числа і довжини анкерів, що дозволить в залежності від призначення виробки вибирати раціональні параметри анкерного кріплення.

Встановлено, що застосування анкерних систем у капітальних похилих виробках, що пройдені в однорідному або неоднорідному породному масиві, незначно (15…20%) зменшує підняття підошви.

Встановлені закономірності й отримані на їх основі технічні рішення були рекомендовані для використання при кріпленні південного панельного уклону пласта горизонту 550 м шахти "Алмазна" ДХК "Добропіллявугілля". Очікуваний економічний ефект від реалізації запропонованого способу кріплення виробок складе по шахті "Алмазна" 144 тис. грн.

Список опублікованих робіт здобувача за темою дисертації

Терещук Р.Н. Состояние и перспективы применения анкерной крепи // Науковий вісник НГА України. - 2000. - №2. - С. 6-9.

Терещук Р.Н., Мартыненко С.В. Подбор состава и испытание эквивалентных материалов для изготовления неоднородных моделей // Геотехническая механика: Сб. науч. тр. ИГТМ НАН Украины. Днепропетровск: Полиграфист. - 2000. - Вып. 23 - С. 136-141.

Терещук Р.Н. Исследование устойчивости выработки с анкерной крепью на моделях из эквивалентных материалов // Науковий вісник НГА України. - 2001. - №1. - С. 16-19.

Терещук Р.Н. Определение основных параметров анкерного крепления на неоднородных моделях из эквивалентных материалов // Науковий вісник НГА України. - 2001. - №6. - С. 32-34.

Шашенко А.Н., Янко В.И., Терещук Р.Н. Исследование напряженно-деформированного состояния однородного породного массива в окрестности выработки, закрепленной анкерной крепью // Науковий вісник НГА України. - 2002. - №3. - С. 14-18.

Терещук Р.Н. Использование численных методов для обоснования параметров анкерной крепи при ее установке в однородном породном массиве // Совершенствование строительства шахт и подземных сооружений: Сб. науч. тр. - Донецк: ООО "НОРД Компьютер". - 2002. - С. 33.

Терещук Р.Н. Обоснование параметров анкерной крепи для наклонных выработок, пройденных в неоднородном породном массиве // Крок у ХХI століття: Матеріали студентських науково-технічних конференцій 2001-2002 рр. - Ч.I. - Дніпропетровськ: Національна гірнича академія України. - 2002. - С. 38-39.

Размещено на Allbest.ru

...