Обґрунтування параметрів забезпечення стійкості гірничих виробок вибуховим розвантаженням порід покрівлі

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДОНБАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 622.834:622.273.21

Спеціальність: 05.15.04 - "Шахтне та підземне будівництво"

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ

ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ СТІЙКОСТІ ГІРНИЧИХ ВИРОБОК

ВИБУХОВИМ РОЗВАНТАЖЕННЯМ ПОРІД ПОКРІВЛІ

Павлов Євген Євгенійович

Алчевськ - 2010

На правах рукопису

Робота виконана на кафедрі "Будівельна геотехнологія та гірничі споруди" Донбаського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України (м. Алчевськ)

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор ЛИТВИНСЬКИЙ Гаррі Григорович завідувач кафедри "Будівельна геотехнологія та гірничі споруди" Донбаського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України (м. Алчевськ)

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, доцент СОЛОДЯНКІН Олександр Вікторович професор кафедри "Будівництво і геомеханіка" Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ);

кандидат технічних наук, доцент НОВІКОВ Олександр Олегович професор кафедри "Розробка родовищ корисних копалин" Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України (м. Донецьк).

Захист відбудеться "17" грудня 2010 року о ___ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 12.076.01 при Донбаському державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 94204, Луганська область, м. Алчевськ, просп. Ленина 16.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України за адресою: 94204, Луганська область, м. Алчевськ, просп. Ленина 16.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н. Є.С. Смекалін

Анотації

Павлов Е.Е. Обґрунтування параметрів забезпечення стійкості гірничих виробок вибуховим розвантаженням порід покрівлі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.04 - "Шахтне і підземне будівництво". - Донбаський державний технічний університет, Алчевськ, 2010.

Дослідження дозволили обґрунтувати параметри забезпечення стійкості гірничих виробок вибуховим розвантаженням порід покрівлі за рахунок керування напруженим станом порід і створення ефективних умов взаємодії кріплення з масивом.

Лабораторними дослідженнями встановлено закономірності формування зони розвантаження навколо виробки. Методом кінцевих елементів вивчені закономірності розподілу напружень при розвантаженні, а також закономірності зміни несучої здатності рамного кріплення гірничої виробки за різних схем навантаження залежно від зміни пасивного опору порід. виробка гірничий покрівля

Розроблено рекомендації щодо підвищення стійкості гірничих виробок і передано в ДВАТ "Луганськдіпрошахт" для використання під час складання нових проектів і реконструкції існуючих шахт, використано під час проведення збірного хідника 17-ої корінної східної лави пл. h8 "Фоминський" шахти ім. Л.І. Лутугина ДП "Торезантрацит" і впроваджено в навчальний процес при підготовки фахівців гірничого профілю.

Основний зміст роботи відображений у 8 статтях і доповідях на міжнародних науково-технічних конференціях, а також у 2-х патентах.

Ключові слова: виробка, покрівля, вибухове розвантаження, арочне кріплення, пасивний опір, коефіцієнт постелі.

Павлов Е.Е. Обоснование параметров обеспечения устойчивости горных выработок взрывной разгрузкой пород кровли. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.04 - "Шахтное и подземное строительство". - Донбасский государственный технический университет, Алчевск, 2010.

Проведенные исследования позволили обосновать параметры обеспечения устойчивости горных выработок взрывной разгрузкой пород кровли за счёт управления напряжённым состоянием пород и создания эффективных условий взаимодействия крепи с массивом.

Лабораторными исследованиями установлены закономерности формирования зоны разгрузки вокруг выработки. Показано, что при взрыве одного заряда рыхления в кровле формируется параболическая зона разгрузки примерно на 1/3…2/3 участка кровли, при взрыве трёх зарядов рыхления в кровле образуется достаточно равномерная зона рыхления, охватывающая весь участок кровли выработки, а при увеличении числа зарядов рыхления больше трёх эффективность разгрузки в кровле повышается незначительно.

Численными исследованиями установлены закономерности распределения напряжений вокруг выработки и изменения несущей способности рамной крепи при различных схемах расположения зарядов рыхления (от 1 до 3) при взрывной разгрузке пород кровли. Доказано, что для разгрузки пород от напряжений достаточно уменьшить их модуль деформации в 3…5 раз, при этом нецелесообразно стремиться к большей степени разгрузки (выше 90%).

Установлены закономерности распределения усилий в рамной крепи при различных схемах нагружения со стороны массива с учетом пассивного отпора разгруженных пород. Наиболее предпочтительной является треугольная эпюра распределения нагрузки на верхняк крепи с минимумом в его центре, формируемая взрывом двух зарядов рыхления, которая снижает изгибающий момент в 3 и 5 раз соответственно в стойке и верхняке по сравнению с эквивалентной по интенсивности сосредоточенной нагрузкой.

Разработаны рекомендации по повышению устойчивости горных выработок и переданы в ГОАО "Луганскгипрошахт" для использования при составлении новых проектов и реконструкции существующих шахт, использованы при проходке сборного ходка 17-й коренной восточной лавы пл. h8 "Фоминской" шахты им. Л.И. Лутугина ГП "Торезантрацит" и внедрены в учебный процесс при подготовке специалистов горного профиля.

Основное содержание работы отображено в 8 статьях и докладах на международных научно-технических конференциях, а степень новизны подтверждается двумя патентами.

Ключевые слова: выработка, кровля, взрывная разгрузка, арочная крепь, пассивный отпор, коэффициент постели.

Pavlov E.E. Substantiation of the parameters ensuring of excavation stability by explosive unloading of rock roof. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree on a speciality 05.15.04 - "Mine and Underground Construction". The Donbass State Technical University, Alchevsk, 2010.

Researches are aimed at substantiation of the parameters ensuring of excavation stability by explosive unloading of rock roof by the stress state of rocks controlling and creating effective conditions for the interaction between lining and massif.

Laboratory studies have determined the regularities of the unloading rock zones around the mine working. Laws of distribution of stress-straine at unloading was investigated by the method of final elements. Laws of change stability of frame support in development working are investigated by finite-element method under various schemes of unloading depending from changes passive reaction of rocks.

Recommendations have been developed to improve the stability of mine workings and transferred to GOAO "Luganskgiproshaht" to be used in preparing new projects and reconstruction of the existing mines. It's were used in drifting of gangway the mine "L.I Lutugin" of SE "Torezantratsit" and introduced into the mining specialists training educational process.

The main content of the work has been displayed in 8 articles and reports presented at the international scientific conferences, and in 2 patents as well.

Key words: development, roof, explosive unloading, arc frame support, passive reaction, modulus of subgrade reaction.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Ефективність розробки вугільних родовищ значною мірою пов'язана з проблемою забезпечення стійкості виробок. Їх експлуатаційний стан на сучасних шахтах Донбасу значно погіршав, що зумовлено збільшенням глибини розробки й інтенсифікацією проявів гірського тиску. Незадовільний стан виробок і їх ремонт стримують гірничопідготовчі й очисні роботи, унаслідок чого знижуються техніко-економічні показники шахт.

Більше 70% гірничих виробок кріплять металевим податливим кріпленням, з них близько 15-20% знаходиться в незадовільному стані. Об'єм деформованих виробок з кожним роком збільшується. Для охорони виробок найбільше застосовують на шахтах пасивні способи (ремонти й заміну кріплення), які лише усувають негативні наслідки гірського тиску. Ці способи вичерпали свої можливості й не дають необхідного ефекту. Тому поширюються локальні й регіональні способи забезпечення стійкості гірничих виробок шляхом зміни міцності порід і їх напружено-деформованого стану.

Нині одним з перспективних способів підвищення стійкості виробок і стану кріплення можна вважати активний спосіб, який передбачає вибухове розвантаження порід покрівлі виробки від напружень і зміну умов взаємодії кріплення з масивом. Проте, основні геомеханічні й технологічні параметри цього способу (глибина й міра розвантаження порід, місце розташування й кількість розвантажувальних шпурів, опір забутовки та ін.) не мали достатнього обґрунтування. Тому наукове завдання обґрунтування параметрів забезпечення стійкості виробок вибуховим розвантаженням порід покрівлі є вельми актуальним.

Зв'язок роботи з науковими планами й програмами. Дисертаційна робота виконана в рамках держбюджетних науково-дослідних тем 140-ГБ "Розробка теорії взаємодії зарядів вибухівки з масивом гірських порід" (№ держ. реєстрації ДР 0105U 000931) і 162-ГБ "Розробка наукових основ прогнозування проявів гірського тиску в капітальних виробках глибоких шахт" (№ держ. реєстрації ДР 0108U 001530). Автор дисертаційної роботи був виконавцем окремих розділів цих НДР.

Мета досліджень - обґрунтування параметрів забезпечення стійкості гірничих виробок вибуховим розвантаженням порід покрівлі.

Ідея роботи полягає в керуванні напруженим станом порід навколо виробки і створенні оптимальних умов взаємодії рамного кріплення з масивом шляхом вибухового розвантаження порід покрівлі.

Об'єкт дослідження - гірнича виробка в розвантаженому вибухом масиві гірських порід.

Предмет дослідження - параметри способу забезпечення стійкості гірничої виробки шляхом вибухового розвантаження порід покрівлі.

Для досягнення вказаних цілей поставлено й вирішено наступні основні завдання:

1. Вивчити шахтними інструментальними спостереженнями закономірності розподілу порожнеч у закріпному просторі гірничих виробок, що проводяться буропідривним і комбайновим способами, оцінити вплив порожнеч на несучу здатність кріплення;

2. Визначити методом електрогідродинамічних аналогій (ЕГДА) параметри вибухового розвантаження порід у покрівлі виробки, розміри і розташування зон вибухового розвантаження, кількість і місце розміщення зарядів розпушування;

3. Методом кінцевих елементів (МКЕ) вивчити закономірності зміни напружено-деформованого стану (НДС) масиву порід навколо гірничої виробки після вибухового розвантаження в покрівлі й особливості взаємодії рамного кріплення з розпушеними породами масиву;

4. Розробити рекомендації щодо забезпечення стійкості гірничих виробок способом вибухового розвантаження порід покрівлі (ВРПП);

5. Упровадити результати досліджень у навчальний процес, у проектну й виробничу практику, оцінити техніко-економічну ефективність упровадження способу вибухового розвантаження порід покрівлі на виробництві.

Методи досліджень. В основу досліджень покладені: аналіз і узагальнення виконаних раніше досліджень і накопиченого виробничого досвіду; шахтні дослідження з обробленням даних методами математичної статистики; лабораторні дослідження технологічних і геомеханічних параметрів способу вибухового розвантаження порід методом ЕГДА; аналітичні й чисельні дослідження методом кінцевих елементів напружено-деформованого стану масиву навколо виробки під час вибухового розвантаження порід покрівлі й несучої здатності рамного кріплення з урахуванням коефіцієнта постелі.

Наукові положення, що виносяться на захист:

1. При забезпеченні стійкості гірничої виробки вибуховим розвантаженням порід покрівлі підрив одного заряду розпушення у середині покрівлі виробки формує на аркове кріплення навантаження, яке розподіляється за параболічним законом, при підриві двох зарядів над вузлами піддатливості - за трикутним законом з мінімумом у центрі арки, а три заряди формують квазірівномірний розподіл навантаження. Вибір кількості зарядів дозволяє керувати взаємодією кріплення з породним масивом.

2. Підривання двох зарядів розпушування над вузлами піддатливості забезпечує найбільш ефективне розвантаження масиву навколо виробки: знижує концентрацію напружень у покрівлі в 5…10 разів, в районі вузлів піддатливості у 2…2,5 рази і в боках в 1,5…2 рази, створює забутовку за кріпленням з попереднім розпором, що підвищує в 3…4 рази його несучу здатність.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Обґрунтовані раціональні параметри забезпечення стійкості гірничих виробок способом вибухового розвантаження порід і вперше, шляхом порівняння різних схем розміщення шпурів, доведено доцільність і достатність схеми розвантаження порід покрівлі виробки від напружень двома зарядами розпушення, які розміщують над вузлами піддатливості.

2. Одержана кількісна оцінка впливу пасивного опору, який створюють розвантажені вибухом породи при деформації аркової рами, на підвищення несучої здатності кріплення, і вперше доведено, що при зміні коефіцієнту постелі порід у межах 1…5 МПа/м згинальні моменти у верхняку відповідно знижуються в 2,5…4 рази, що веде до зростання стійкості виробки.

3. Уперше встановлені закономірності розподілу зусиль у арковому кріпленні за різних схем його навантаження породами масиву з урахуванням пасивного опору забутовки із розвантажених порід, що було покладено в основу розрахунку параметрів кріплення.

Ступінь обґрунтованості й достовірності наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується: коректністю поставлених завдань й використанням апробованих методів; достатнім обсягом шахтних, лабораторних і чисельних досліджень; варіюванням помилок апроксимації в межах 10…15%; позитивними результатами використання рекомендацій в гірничій промисловості, проектних установах і в навчальному процесі під час підготовки фахівців гірничого напряму.

Наукове значення роботи полягає у встановленні залежності стійкості гірничої виробки й несучої здатності рамного кріплення під час вибухового розвантаження порід покрівлі від початкового напруженого стану масиву, кількості й розміщення зарядів розпушування, коефіцієнта вибухового розвантаження порід, розміщення й жорсткості зон пасивного опору порід, а також від законів розподілу зовнішнього навантаження, що прикладене до рамного кріплення з боку масиву.

Практичне значення роботи полягає в розробленні методики визначення параметрів забезпечення стійкості гірничих виробок вибуховим розвантаженням порід покрівлі й рекомендацій щодо підвищення стійкості гірничих виробок у різних гірничо-геологічних умовах.

Реалізація виводів і рекомендацій роботи. Результати кандидатської дисертації використовуються в навчальному процесі під час виконання курсових і дипломних проектів фахівцями гірничого профілю. Розроблені рекомендації щодо підвищення стійкості гірничих виробок передані в ДВАТ "Луганськдіпрошахт" для використання під час складання проектів, а також використані під час проведення збірного хідника 17-ої корінної східної лави пл. h8 "Фоминський" шахти ім. Л.І. Лутугина ДП "Торезантрацит". Очікуваний економічний ефект від застосування способу вибухового розвантаження порід покрівлі становив тільки за рахунок вибухового забутовування порожнеч за кріпленням 178 грн/м (сто сімдесят вісім гривень), а загальний очікуваний економічний ефект на всю довжину збірного хідника, де застосовний спосіб склав 71200 грн (сімдесят одна тисяча двісті гривень).

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи повідомлено, обговорено і схвалено на наукових семінарах кафедри "Будівельна геотехнологія і гірничі споруди" ДонДТУ (2007-2010 рр.), міжнародній науково-технічній конференції студентів, аспірантів і молодих учених "Вдосконалення технології будівництва шахт і підземних споруд" (ДонНТУ 2007-2009 рр.), міжнародному форумі молодих учених "Проблеми недропользования" (Санкт-Петербурзький державний гірничий інститут (технічний університет), Санкт-Петербург, 2008 р.).

Особистий внесок автора полягає в поставленні завдань досліджень, виконанні математико-статистичного оброблення результатів шахтних досліджень з використанням ЕОМ; розробленні методик, постановленні й проведенні лабораторних досліджень; комп'ютерному моделюванні напруженого стану масиву навколо виробки й працездатності рамного кріплення під час вибухового розвантаження порід покрівлі; розробленні й впровадженні рекомендацій щодо підвищення стійкості гірничих виробок.

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 10 наукових робіт, з яких 5 статей в фахових спеціалізованих виданнях, 3 статті в збірниках матеріалів науково-практичних конференцій, 2 патенти на корисну модель.

Структура й обсяг. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновку, містить 116 сторінок машинописного тексту, 59 рисунків, 10 таблиць і 6 додатків. Загальний обсяг дисертації - 170 сторінок.

Автор висловлює щиру вдячність науковому керівникові, докторові технічних наук, професорові Г.Г. Литвинському за цінні поради й консультації під час роботи над дисертацією.

Основний зміст роботи

Проведений у першому розділі аналіз стану гірничих виробок показав, що на досягнутих нині глибинах розробки традиційні конструкції кріплення не відповідають збільшеним навантаженням і деформуються під час будівництва шахт, тому ще до моменту введення їх в експлуатацію потребують ремонту або повної заміни. Витрати на перекріплювання й ремонт виробок ще до введення шахти в експлуатацію становлять у середньому 3-5% від загальної вартості будівництва.

Середня глибина гірничих робіт на шахтах України становить близько 750 м. При цьому 53 шахти ведуть роботи на глибинах, що перевищують 800 м, 37 шахт на глибинах понад 1000 м, а 8 шахт перейшли позначку 1200 м. Збільшення глибини гірничих робіт призвело до підвищення навантаження на кріплення й необхідності збільшення роботоздатності кріплення.

Серед різних способів підвищення стійкості виробок найбільш перспективними є способи керування напружено-деформованим станом масиву навколо виробок, які дозволяють перейти до якісно нового рівня технології з проведення й підтримки гірничих виробок у складних гірничо-геологічних умовах.

Значний внесок у дослідження проявів гірського тиску й підвищення стійкості гірничих виробок зробили вітчизняні й зарубіжні наукові школи ВНІМІ (м. Санкт-Петербург), ДонДТУ (м. Алчевськ), ДонНТУ (м. Донецьк), ДонВУГІ (м. Донецьк), ІГД ім. акад. А.А. Скочинського (м. Люберці), ІПКОН (м. Москва), КГТУ (м. Кемерово), МДГУ (м. Москва), НГУ (м. Дніпропетровськ), СПБГГІ (м. Санкт-Петербург), ТулГУ (м. Тула), AGH (Krakov, Poland), TUKE (Kosice, Slovak Republic), та ін.

Аналіз наукових робіт, у яких розглянута проблема забезпечення стійкості гірничих виробок, свідчить про наявність низки невідповідностей між даними практики ремонтів й перекріплення виробок на досягнутих до теперішнього часу глибинах розробки і ефективністю способів забезпечення їх стійкості. Тому дослідження, що спрямовані на розроблення перспективних способів підвищення стійкості виробок, а саме - способу вибухового розвантаження порід, є актуальним.

Другий розділ знайомить з дослідженням і аналізом стійкості гірничих виробок і впливом на неї нерівностей породного контура і порожнеч закріпного простору. Дослідження проводили за допомогою шахтних інструментальних вимірів порожнеч закріпного простору з наступним їх статистичним опрацюванням. Шахтні дослідження проводили в підготовчих і капітальних виробках на шахті "Мащинська" шахтоуправління "Луганське" ДП "Луганськвугілля".

Методика передбачала вимір порожнеч закріпного простору і зміщень вузлів піддатливості сталевого рамного кріплення, а також розмірів виробки у світлі. Для виміру закріпного простору була виготовлена рейка виміру з алюмінієвого прута діаметром 8 мм, що забезпечує жорсткість рейки й витримує зусилля, необхідне для її заглиблення між затяжкою.

Виміри порожнеч за кріпленням проводили в п'яти характерних точках контура виробки: дві з них були вибрані симетрично з боків виробки на висоті близько 1000 мм від підошви, дві інші точки вибрані в області замків піддатливості й одна точка - по центру верхняка рамного кріплення.

Результати вимірів порожнеч закріпного простору і їх статистичного оброблення подано в таблиці 1.

Шахтними дослідженнями встановлено, що повне заповнення порожнеч закріпного простору трапляється в 16% випадків за буровибухового проведення виробки й лише в 4% - під час комбайнового, тоді як, згідно з технічними умовами, потрібно 100% заповнення порожнеч. Тому під час зміщення порід покрівлі навантаження на кріплення формується у вигляді зосередженої сили, що значно знижує несучу здатність кріплення. Нерівномірне вантаження кріплення призводило до неодноразового перекріплювання й підривання порід підошви. Таким чином, існуючі технології проведення й підтримування гірничих виробок не забезпечують повної взаємодії рамного кріплення з масивом гірських порід.

Таблиця 1 Результати статистичного опрацювання вимірів порожнеч закріпного простору

Найменування показників	Технологія проведення виробки
	буровибухова	комбайнова
Середня глибина порожнеч, мм	190	215
Середньоквадратичне відхилення, мм	140	170
Коефіцієнт варіації	0,74	0,79
Середня помилка вимірів, мм	20	24
Перевищення виміряних порожнеч відносно нормативних	70-80%	90-100%

У третьому розділі з метою вивчення розмірів і визначення параметрів зон розвантаження порід у покрівлі гірничої виробки проведено моделювання методом ЕГДА на електропровідному папері (ЕПП). Ураховуючи симетричність об'єкта, що вивчається, на ЕПП моделювалася половина виробки у вигляді контура, на межі якого наносили електропровідний лак. Стабілізовану напругу 10 В подавали на смужку лаку контуру виробки й заряди ВВ і пошуковою голкою знімали показники потенціалу напруги навколо виробки для побудови еквіпотенціальних ліній і ліній градієнта напруги.

Для чотирьох різних схем підривання зарядів розпушування (від 1 до 5 зарядів) було побудовано еквіпотенціальні лінії, перпендикулярно яким проводили лінії струму, котрі показують напрям швидкості руху вибухової хвилі. По ним визначали швидкість деформацій масиву у вигляді градієнта о=gradц=дц/дп напруги (рис. 1). Задаючись критичним значенням градієнта о*, можна визначити межі зони розвантаження в породах масиву навколо виробки. Чим вище значення градієнта о, відносно критичного о*,, тим більш ефективне вибухове розпушування порід.

Для виявлення параметрів вибухового розвантаження в покрівлі на графіку (рис. 2) показано закономірності зміни межі зон розвантаження по контуру виробки залежно від кута від вертикальної осі склепіння контура.

Із графіків випливає, що:

1) під час вибуху п'яти зарядів (лінія 4) максимальне розпушування масиву на контурі виробки досягається напроти зарядів при ;

2) вибух одного заряду (лінія 1) створює зону розпушування порід масиву у діапазоні і навантаження на кріплення у вигляді параболи;

3) підривання двох зарядів (лінія 2) створює зону розпушування порід масиву на ділянці , що покращує розпір вузлів піддатливості. При цьому навантаження на аркове рамне кріплення формується за законом трикутника, коли мінімум навантаження знаходиться по центру верхняка, а максимуми зміщені до стояків кріплення;

4) підривання трьох зарядів (лінія 3) дозволяє навантажити кріплення більш рівномірно по всьому верхняку й у ділянці стояків, що сприятливо впливає на роботоздатність кріплення порівняно з одним зарядом розпушування;

5) під час підривання п'яти (лінія 4) і більше зарядів зростає зона розвантаження і створюється більше розпушування порід у боках виробки.

Рис. 2. Зміна градієнта о уздовж контура за різної кількості зарядів

З аналізу результатів моделювання (рис. 2) випливає, що внаслідок збільшення кількості зарядів ефективність розвантаження підвищується незначно й уже при двох зарядах (лінія 2) забезпечується необхідний ефект: повний контакт кріплення з породами покрівлі й формування найбільш сприятливої (трикутної) зони вибухового розвантаження для навантаження кріплення.

Отже, найбільш ефективними схемами вибухового розвантаження порід навколо виробки слід вважати вибух двох або трьох зарядів, що сприяє достатньому обтисканню кріплення розвантаженою породою по всьому верхняку.

У четвертому розділі виконані дослідження НДС масиву методом кінцевих елементів, для чого моделювали масив з гірничою виробкою за різних схем вибухового розвантаження з різним початковим напруженим станом масиву. Вивчалися граничні випадки навантаження масиву, а саме безрозпірне (л =0), гідростатичне (л =1) і проміжне (л =0,5). Похибки через вплив меж моделі не перевищили , що цілком допустимо для задач прикладного типу.

З метою узагальнення результатів і зручності їх подальшого аналізу за базові параметри було взято безрозмірні коефіцієнти: розвантаження і концентрація напружень , де і - модулі деформації порід до й після їх розвантаження відповідно, МПа; і Р - напруження відповідно в зоні розвантаження виробки й початкове вертикальне напруження в масиві, МПа.

В результаті моделювання МКЕ отримано графіки (рис. 3, а) зміни концентрації тангенційних напружень у покрівлі в міру заглиблення в масив уздовж осі розвантажувального шпуру на безрозмірну відстань в одиницях радіусу виробки .

Порівнюючи напружений стан до розвантаження (лінія 1, рис. 3, а) з графіками коефіцієнта концентрації після розвантаження (лінії 2-4), можна зробити висновок, що найбільше зниження (у 3…5 разів) досягається вже при , тому недоцільно прагнути до більшої міри розвантаження ( і менш). Це дає важливий орієнтир щодо призначення кінцевих меж міри розвантаження () під час вибору геомеханічних параметрів вибухових робіт. Концентрація тангенційного напруження істотно зменшується на контурі виробки й зміщується вглиб масиву на межу зони вибухового розвантаження, де, по суті, уже є безпечна для стійкості виробки.

Із розподілу напружень по контуру гірничої виробки до й після підривання двох розвантажувальних шпурів, поданого на рис. 3, б, видно, що при в покрівлі виробки (при ) напруження зменшуються в 5…10 разів, в районі вузлів піддатливості (при ) напруження зменшуються у 2…2,5 рази, а в боках (при ) в 1,5…2 рази. З цього розподілу виходить, що розвантаження відбувається на всьому контурі виробки ().

а) б)

1) =1; 2) =0,2; 3) =0,05; 4) =0,01;

Рис. 3. Розподілення концентрації тангенційного напруження у зоні розвантаження під час вибуху двох зарядів розпушування навколо виробки: а) по осі розвантажувального шпура; б) уздовж контура виробки по куту ||< 90°



Рис. 4. Концентрація напружень на контурі виробки залежно від кута 90є

На графіках рис. 4 показано концентрацію напружень на контурі виробки при (лінія 1, вибухове розвантаження відсутнє), і при (лінії 2, 3 і 4, які відповідають схемам розвантаження із застосуванням 2, 3 і 1 зарядів розпушування відповідно). Із графіків випливає, що лінії 2 й 3 практично співпадають, тобто схеми розвантаження еквівалентні. Слід зазначити, що в підошві () і в покрівлі () виробки найбільше зниження концентрації напружень досягається за двох зарядів розпушування.

Оскільки вибухи двох і трьох зарядів розпушування практично еквівалентні для зниження напружень на контурі виробки, можна зробити висновок, що для розвантаження досить підірвати два заряди навпроти вузлів піддатливості рамного кріплення.

У п'ятому розділі вивчено закономірності зміни несучої здатності рамного кріплення за різних схем розподілу зовнішнього навантаження (рис. 5) на раму й з урахуванням пасивного опору порід при забутовуванні способом вибухового розвантаження порід покрівлі.

Лабораторні й чисельні дослідження, здійснені в 3 й 4 розділах, дозволили сформулювати основні схеми навантаження (зосереджене, параболічне, рівномірно розподілене й за законом трикутника), кожна з яких відповідає сумарному навантаженню на кріплення:

. (1)

Це дає підставу для визначення законів розподілу навантаження:

- під час підривання одного заряду розпушування утворюється навантаження, інтенсивність якого змінюється за параболічним законом:

- під час підривання двох зарядів розпушування утворюється навантаження на кріплення, що змінюється за законом трикутника:

- під час підривання трьох зарядів розпушування утворюється суцільне, квазірівномірно розподілене навантаження на кріплення:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Схеми розподілу навантаження

Важливо знати, як зміниться за різних навантажень несуча здатність рамного кріплення, що зумовлюється величиною максимальних згинальних моментів у конструкції. Графіки на рис. 6 показують зміну відношення моментів Мо/Мmax в рамах трапецієподібного (6, а) й аркового (6, б) кріплення, де Мо і Мmax - згинальні моменти відповідно в поточному перерізі рами й максимальний у рамі під час дії зосередженої сили у центрі верхняка. Найменший згинальний момент під час однакового еквівалентного навантаження F має рама з навантаженням, розподіленим за законом трикутника (лінія 4). Він у 3 рази менше моменту від зосередженої сили (лінія 1), у 2 рази менше моменту від параболічної (лінія 2) і в 1,5 раза від рівномірно розподіленого навантаження (лінія 3).

Внутрішні зусилля, що виникають у кріпленні, залежать від схеми прикладення на нього зовнішніх зусиль з боку масиву гірських порід, виникнення пасивного опору порід, а також від жорсткості розпушених порід, яку зручно апроксимувати за допомогою коефіцієнта постелі (щільність розпушених порід). Чим більше коефіцієнт постелі забутовки, тим рівніше по контуру кріплення розподіляється зовнішнє навантаження й ефективніше використовується пасивний опір порід, полегшуючи роботу кріплення. Результати досліджень впливу пасивного опору на несучу здатність аркового кріплення надано в таблиці 2.

З таблиці 2 випливає, що залежно від схеми навантаження, працездатність кріплення може змінюватися у верхняку від 8 до 20 разів (при ), а в стояку від 2 до 4 разів. Змінюючи щільність забутовування, коли коефіцієнт постелі змінюється від 1 до 5 МПа/м, максимальний розмах зміни моментів у конструкції кріплення дорівнює 4 у верхняку під час навантаження за законом трикутника і близько 5 в стояку кріплення під час параболічного й рівномірно розподіленого навантаження.

а)

б)

Рис. 6. Розподіл згинальних моментів в трапецієподібному (а) й арковому (б) кріпленні

Базуючись на отриманих закономірностях, розроблено спосіб керування навантаженням на рамне кріплення (рис. 7) і сформульовані рекомендації щодо підвищення стійкості гірничої виробки вибуховим розвантаженням порід покрівлі (таблиця 3). Суть способу ВРПП полягає в цілеспрямованій зміні напруженого стану й міцності порід, створенні пасивного опору порід у закріпному просторі й сприятливішому перерозподілу навантажень на рамне кріплення з боку масиву через розвантажену вибухом породну зону.

Таблиця 2 Працездатність рамного кріплення в умовах різної щільності розпушених порід закріпного простору

Схеми навантажень	Відношення згинальних моментів у верхняку (стояку) рами за різних (МПа/м) , %
	0	1	5
Зосереджена	100 (53)	77 (27)	57 (16)
Параболічна	41 (40)	27 (21)	14 (8)
Рівномірно розподілена	29 (31)	18 (17)	9 (6)
За законом трикутника	12 (22)	5 (13)	3 (6)

Технологія способу керування навантаженням на кріплення наступна (рис. 7): під час проведення виробки 1 після зведення рамного кріплення 2 й укладання затяжки 3 по контуру рами одночасно зі шпурами по вибою бурять у покрівлі два бокові розвантажувальні шпури 4 в районі вузлів піддатливості 5 рами 2 на глибину lш так, щоб заряди 6 ВР у розвантажувальних шпурах 4 розміщувалися в площині рами. Розвантажувальні шпури 4 заряджають зарядами розпушування 6 і підривають одночасно зі шпурами по вибою, створюючи розвантажену зону в покрівлі виробки.

I - до вибухового розвантаження; II - після вибухового розвантаження

Рис. 7. Спосіб керування навантаженням на кріплення гірничої виробки ВРПП для аркового (а) і трапецієподібного (б) кріплення

Для трапецієподібного кріплення (рис. 7 б) заряди розпушування 6 у розвантажувальних шпурах 4 розміщують у площині рами й на продовженні лінії стояка:

(5)

де Lв - довжина верхняка рамного кріплення, м; b - відстань від вертикальної осі виробки до заряду, м; в - кут нахилу стояка рамного кріплення до горизонту; lз - глибина заряду, м

Таблиця 3 Параметри забезпечення стійкості гірничих виробок вибуховим розвантаженням порід покрівлі

Найменування	Показник
Розподіл навантаження на кріплення ??, т - параболічне - за законом трикутника - рівномірно розподілене
Зона пасивного опору порід по контуру виробки (б, град) під час навантаження кріплення: - параболічного - за законом трикутника - рівномірно розподіленого
Зниження напружень навколо виробки під час підривання в покрівлі заряду розпушування: - одного - двох - трьох	до 4 разів до 8…10 разів до 4 разів
Зниження згинальних моментів у верхняку рами аркового кріплення (при ) порівняно із зосередженим навантаженням
- під час параболічного навантаження - під час навантаження за законом трикутника - під час рівномірно розподіленого навантаження	у 3…4 рази у 8…9 разів у 5…6 разів
Кількість розвантажувальних шпурів у поперечному перерізі виробки, шт.	2
Необхідна висота склепіння розвантаження , м
Довжина шпурів для розвантаження , м
Відстань між шпурами по осі виробки
Маса зарядів розпушування , кг

де максимальна висота епюри навантаження, кН/м; розмір порожнеч закріпного простору, м; коефіцієнт розпушування (); W - лінія найменшого опору заряду розпушування, м; межа міцності на одновісне розтягування, кгс/см 2; кількість відкритих поверхонь (1 або 2); ширина склепіння в незруйнованому масиві, м.

Таким чином, у результаті вибухового розвантаження в покрівлі виробки створюють тріщинувату зону розвантажених від напружень порід заданої форми, розмірів і міри розпушування.

Розвантажені вибухом породи за рахунок утворення тріщин і збільшення об'єму заповнюють порожнечі закріпного простору й обтискають кріплення зусиллями розпорів з боку масиву.

Рамне сталеве кріплення після вибуху й обтискання розпушеними породами стійко фіксується в оточувальних породах і опиняється в найбільш сприятливих умовах експлуатації.

Спосіб вибухового розвантаження порід покрівлі слід застосовувати в горизонтальних і похилих гірничих виробках, закріплених рамним сталевим кріпленням, які потрапляють у зону інтенсивного впливу гірського тиску, коли очікуються значні зміщення порід покрівлі й боків.

Розроблені рекомендації щодо підвищення стійкості гірничих виробок використані при проведенні збірного хідника 17-ої корінної східної лави пл. h8 "Фоминський" шахти ім. Л.І. Лутугина ДП "Торезантрацит".

Очікуваний економічний ефект від застосування способу вибухового розвантаження порід покрівлі становив тільки за рахунок вибухового забутовування 178 грн./м (сто сімдесят вісім гривень), а загальний очікуваний економічний ефект - Эо = 71200 грн. (сімдесят одна тисяча двісті гривень).

Висновки

Дисертаційна робота магістра Є.Є. Павлова "Обґрунтування параметрів забезпечення стійкості гірничих виробок вибуховим розвантаженням порід покрівлі" є завершеним науковим дослідженням, в якому вирішена актуальна наукова задача забезпечення стійкості гірничих виробок вибуховим розвантаженням порід покрівлі на підставі встановлених закономірностей розподілу напружень навколо виробки після вибухового розвантаження й розподілу зовнішнього навантаження на кріплення з урахуванням різних схем підривання зарядів розпушування, форми зон розвантаження й пасивного опору розвантажених порід, що дозволяє значно підвищити несучу здатність рамного кріплення й стійкість гірничої виробки.

Основні наукові результати роботи полягають в наступному:

1. Шахтними інструментальними дослідженнями встановлено закономірності розподілу й розміри порожнеч закріпного простору навколо рамного кріплення гірничих виробок, пройдених буровибуховим і комбайновим способами, оцінено міру зниження стійкості кріплення і її несучої здатності в реальних умовах проведення виробок.

2. Методом ЕГДА вивчено й обґрунтовано закономірності формування зони розвантаження навколо виробки, встановлено хвилеподібну форму за різних схем підривання зарядів розпушування в покрівлі виробки (від 1 до 5 зарядів). Так, підрив одного заряду розпушення у середині покрівлі виробки формує на аркове кріплення навантаження, яке розподіляється за параболічним законом, при підриві двох зарядів над вузлами піддатливості - за трикутним законом з мінімумом у центрі верхняка арки, а три заряди формують квазірівномірний розподіл навантаження.

3. Методом кінцевих елементів досліджено закономірності розподілу напружень навколо виробки й зміни несучої здатності рамного кріплення за різних схем розміщення зарядів розпушування (від 1 до 3) у покрівлі виробки. Доведено, що для розвантаження порід від напружень досить зменшити їх модуль деформації в три-п'ять разів, тобто розвантаження має бути не менше 70…80%. Напруження в зоні розвантаження зменшуються в покрівлі в 5…10 разів, в районі вузлів піддатливості у 2…2,5 рази й у боках в 1,5…2 рази.

4. Установлено закономірності розподілу зусиль у арковому кріпленні за різних схем навантаження з урахуванням пасивного опору забутовки із розвантажених порід. Доведено, що найбільш ефективною є трикутна епюра розподілу навантаження на верхняк кріплення під час вибуху двох зарядів розпушування, яка знижує згинальний момент у 3 й 5 разів відповідно у стояку та верхняку порівняно з еквівалентним за інтенсивністю рівномірно розподіленим навантаженням.

5. Розроблено рекомендації щодо застосування способу ВРПП, які дозволяють значно підвищити стійкість виробок і виключають ремонти кріплення. Очікуваний економічний ефект при впровадженні становив 71200 грн під час проведення збірного хідника 17-ої корінної східної лави пл. h8 "Фоминський" шахти ім. Л.І. Лутугина ДП "Торезантрацит".

Основний зміст дисертації опубліковано в роботах

1. Литвинский Г.Г. Исследование геомеханических параметров взрывной разгрузки пород в кровле выработки / Г.Г. Литвинский, Е.Е. Павлов // Сборник научных трудов Донбасского государственного технического университета. - Алчевск: ДонГТУ, 2008. - Вып. 27. - С. 5-15.

2. Павлов Е.Е. Исследование формы и размеров зоны разгрузки пород вокруг выработки методом ЭГДА / Е.Е. Павлов // Вісті Донецького гірничого інституту: Всеукраїнський науково-технічний журнал гірничого профілю. - Донецьк: Друкується за рішенням Вченої Ради державного вищого навчального закладу "Донецький національний технічний університет" (протокол № 5 від 22.05.2009), 2009. - С. 176-182.

3. Павлов Е.Е. Анализ негативных последствий переборов при проходке горных выработок / Е.Е. Павлов // Сборник научных трудов Донбасского государственного технического университета. - Алчевск: ДонГТУ, 2009. - Вып. 28. - С. 125-133.

4. Литвинский Г.Г. Повышение работоспособности рамной крепи путём взрывной разгрузки пород / Г.Г. Литвинский, Е.Е. Павлов // Сборник научных трудов Донбасского государственного технического университета. - Алчевск: ДонГТУ, 2009. - Вып. 29. - С. 12-20.

5. Литвинский Г.Г. Влияние пассивного отпора пород на работоспособность арочной рамной крепи / Г.Г. Литвинский, Е.Е. Павлов // Сборник научных трудов Донбасского государственного технического университета. - Алчевск: ДонГТУ, 2010. - Вып. 30. - С. 5-16.

6. Пат. 29057 Україна, МПК (2006) Е 21D 11/00. Спосіб вибухового розвантаження порід навколо виробки / Литвинський Г.Г., Павлов Є. Є.; заявник та патентовласник Донбас. держ. техн. ун-т. - № а 200711987 ; заявл. 30.10.2007; опубл. 10.01.2008, Бюл. № 1.

7. Пат. 48196 Україна, МПК (2009) Е 21D 11/00. Спосіб керування навантаженням на рамне кріплення гірничої виробки / Литвинський Г.Г., Павлов Є. Є.; заявник та патентовласник Донбас. держ. техн. ун-т. - № u200909413; заявл. 14.09.2009; опубл. 10.03.2010, Бюл. № 5.

8. Павлов Е.Е. Управление напряжённым состоянием массива вокруг выработки способом активной разгрузки пород кровли / Е.Е. Павлов, Г.Г. Литвинский // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: материалы международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, организованной кафедрой "Строительство шахт и подземных сооружений" ДонНТУ. - Донецк: Норд-Пресс, 2007. - Вып. 13. - С. 130-132.

9. Павлов Е.Е. Моделирование параметров взрывной разгрузки пород в кровле выработки / Е.Е. Павлов, Г.Г. Литвинский // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: материалы международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, организованной кафедрой "Строительство шахт и подземных сооружений" ДонНТУ. - Донецк: Норд-Пресс, 2008. - Вып. 14. - С. 107-108.

10. Павлов Е.Е. Шахтные исследования пустот закрепного пространства / Е.Е. Павлов // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: материалы международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, организованной кафедрой "Строительство шахт и подземных сооружений" ДонНТУ. - Донецк: Норд-Пресс, 2009. - Вып. 15. - С. 123-124.

Размещено на Allbest.ru

...