Обґрунтування параметрів технології відпрацювання вугільних ціликів камерами в умовах шахт західного Донбасу

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА ГІРНИЧА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ТЕХНОЛОГІЇ ВІДПРАЦЮВАННЯ ВУГІЛЬНИХ ЦІЛИКІВ КАМЕРАМИ В УМОВАХ ШАХТ ЗАХІДНОГО ДОНБАСУ

Яворський Василь Миколайович

УДК 622.273

Спеціальність: 05.15.02 - Підземна розробка

родовищ корисних копалин

Дніпропетровськ - 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі підземної розробки родовищ Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент БУЗИЛО

Володимир Іванович, професор кафедри підземної розробки родовищ Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України

(м. Дніпропетровськ)

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор САПИЦЬКИЙ Костянтин Федорович, професор кафедри підземної розробки родовищ Донецького державного технічного університету Міністерства освіти і науки України

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник КУРНОСОВ Анатолій Тимофійович, старший науковий співробітник відділу проблем розробки родовищ на великих глибинах, Інститут геотехнічної механіки НАН України (м. Дніпропетровськ)

Провідна установа: Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра підземної розробки родовищ корисних копалин

Захист відбудеться “ 28 “ грудня 2000 р. о ” 14-00 “ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03 по захисту дисертацій при Національній гірничій академії України Міністерства освіти і науки України

(49027, м. Дніпропетровськ-27, просп. К. Маркса, 19).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ-27, просп. К. Маркса, 19).

Автореферат розісланий “ 25 “ листопада 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

докт. техн. наук С.Ф. Власов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На шахтах Західного Донбасу в ціликах біля гірничих виробок нині втрачається понад 35 млн. т якісного вугілля. Складність їхньої розробки пояснюється тим, що вугілля в цьому районі міцніше вміщуючих порід. Тому бурошнекові машини БУГ3, що застосовувалися донедавна (1991. . .1997 р.р.), виявилися за цих умов малоефективними: різальні органи часто не могли здолати міцного вугілля, а через слабку стійкість порід між камерами доводилося залишати широкі цілики. Ситуація дещо поліпшилася після переходу на установки БЗМ-1М з удосконаленими різальними органами (рекомендації щодо доробки конструкції БЗМ-1М розроблялися та впроваджувалися у 1996 році на шахті “Першотравнева” ДХК “Павлоградвугілля” з участю ІГТМ НАН України), але втрати вугілля все ще були значними. Раціональніше за цих умов виймання вугілля низкою камер (блоками) із залишанням міжкамерних ціликів в відносно малої ширини і достатньо широких опорних - між блоками. З метою зниження втрат міжкамерні цілики доцільно зменшити до мінімуму, допускаючи їх роздавлювання після виймання блока. При цьому можна скористатися і більш ефективною технікою, наприклад, вугільним нарізним комбайном “Дніпро”, але за умови підтримання покрівлі камери індивідуальним кріпленням. В усіх випадках для обгрунтування параметрів прийнятих систем розробки необхідні ретельні дослідження геомеханічних процесів, що відбуваються в масиві порід навколо низки камер та ціликів вугілля.

Різні аспекти руйнування вугільного пласта і слабких вміщуючих порід навколо очисних виробок розглянуто в роботах О.В.Колоколова, А.Ф.Курносова, Н.А.Лубенця, А.М.Зоріна, В.Г.Колесникова та ін. Водночас у більшості відомих методик цілики розраховуються, не беручи до уваги чинника часу, ізольовано від покрівлі та грунту. Вважається, що вони рівномірно навантажуються вагою товщі порід аж до самої поверхні, що не відповідає дійсності у випадку ціликів різної ширини. Застосовується також гіпотеза утворення склепіння М.М.Протодьяконова (А.А.Борисов, Ф.П.Бублик, Г.Е.Гулевич, С.В.Вєтров, П.П.Корж та ін.), але для визначення розмірів склепіння обвалення потрібні дані натурних постережень, які далеко не завжди є при проектуванні.

Для аналізованих гірничо-геологічних умов не можна скористатися й аналітичними розв`язками плоских задач геомеханіки про масиви, ослаблені нескінченною або кінцевою кількістю порожнин різних обрисів, оскількі всі вони отримані для однорідних середовищ без урахування реологічних властивостей порід (Г.Н.Савін, Л.Д.Шевяков, Д.И.Шерман, А.С.Космодаміанський, В.В.Рахимов, Л.И.Ільштейн та ін.).

Численні розв`язання задач, виконані відомими числовими методами кінцевих та граничних елементів, хоча й належать до неоднорідних середовищ, в яких спільно деформуються покрівлі, цілики і грунт, у тому числі і в часі, стосуються конкретних технологічних схем, конкретних гірничо-геологічних умов (Ж.С.Єржанов, Т.Д.Каримбаєв, Ю.М.Ліберман, А.В.Усатенко, Л.В.Новікова, О.О.Сдвижкова та ін.) і також не можуть бути використані для обгрунтування параметрів камерної системи у разі міцного вугілля та слабких порід.

Поза кутом зору дослідників залишається і випадковий характер змінювання фізико-механічних властивостей, зумовлений неоднорідністю масиву слабких порід. Між тим даний чинник є визначальним не лише для оцінки напружено-деформованого стану масиву гірських порід, але і для вирішення питань, пов`язаних з оцінкою надійності обладнання та технології ведення очисних робіт (К.Ф.Сапицький, С.І.Мирошников, В.І.Чекавський, С.М.Липкович, М.М.Лєбєдєв та ін.).

У дисертаційній роботі для підвищення надійності проектуємої камерної системи розробки ураховувалась імовірнісна природа фізико-механічних характеристик порід, обумовлених неоднорідністю масиву, та змінення їх з часом. Це дало можливість визначити розрахунком діючі навантаження і встановити картину перерозподілу напруг у міру утворення нових камер та ціликів.

Дисертація виконувалася протягом багаторічної (1991 - 1999 роки) праці автора на шахтах “Першотравнева” та “Ювілейна” ДХК “Павлоградвугілля” як складова частина наукових досліджень, здійснюваних у Національній гірничій академії України у зв`язку з обгрунтуванням технологічних параметрів відпрацювання тонких пластів бурошнековими машинами і комбайнами (звіти № ДР0195U023228 та №ДР0100U004890).

Напрямок виконаних досліджень відповідає “Основам стратегії розвитку вугільної промисловості України на період до 2005 року” (Держвуглепром України, Київ, 1992), де передбачено збереження всіх видів ресурсів.

Мета і задачі дослідження.

Метою роботи є обгрунтування параметрів технології відпрпацювання малопотужних стрічкових ціликів групами камер в умовах шахт Західного Донбасу.

Для досягнення зазначеної мети необхідно було вирішити такі задачі:

1) розробити розрахунковий алгоритм визначення напружено-деформованого стану системи “покрівля-цілики-грунт” з урахуванням структурної неоднорідності масиву та чинника часу;

2) використовуючи методи математичної статистики зробити кількісний аналіз впливу геометричних параметрів камерної системи, потужності пласта, що вибирається, глибини розробки та фізико-механічних характеристик вугілля й вміщуючих порід на максимальні напруги та переміщення ціликів, покрівлі і грунту; побудувати рівняння множинної регресії;

3) оцінити напружено-деформований стан елементів досліджуваної системи і визначити технологічно допустимий інтервал часу виймання виділеного блока (низки камер);

4) на підставі встановлених закономірностей взаємного деформування системи “покрівля-цілики-грунт” розробити методику розрахунку раціональних параметрів камерної системи виймання тонких пологих вугільних пластів у слабких породах;

5) за розробленою методикою визначити раціональні параметри камер та ціликів стосовно до виймання стрічкових ціликів бурошнековими машинами і комбайном “Дніпро” в умовах шахт Західного Донбасу;

6) здійснити шахтні спостереження за проявами гірського тиску в процесі роботи бурошнекових установок та комбайна; для оцінки достовірності результатів теоретичних досліджень порівняти розрахункові значення зближень покрівлі та грунту з відповідними експериментальними даними.

Методи досліджень.

У основу роботи покладений аналіз існуючих способів відпрацювання пологих тонких вугільних пластів та методик розрахунку параметрів ціликів і камер; натурні спостереження за проявами гірського тиску, дослідження методом граничних елементів напружено-деформованого стану системи “покрівля- цілики-грунт” та узагальнення результатів методами математичної статистики, включаючи множинний корреляційний аналіз.

Ідея роботи полягає в імовірнісно-статистичному підході до аналізу взаємодії системи “покрівля-цілики-грунт” та урахуванні перерозподілу напружено-деформованого стану на різних стадіях відпрацювання міцного вугільного пласта в слабких породах.

Наукові положення, що захищаються у дисертації.

1. Модель, що поєднує урахування імовірнісної природи властивостей неоднорідного породного масиву і чинника часу в алгоритмі розрахунку стійкості камер при відпрацюванні ціликів в шахтах Західного Донбасу, дозволяє визначити технологічно допустимий інтервал часу Т виймання виділеного блока. При комбайновому вийманні трикамерного блока з шириною камер, міжкамерних та опорних ціликів відповідно 4,0 м, 0,6 м і 1,2 м на глибині Н 320 м параметр Т дорівнює 18 годинам. Такий же проміжок часу є технологічно допустимим при бурошнековому вийманні трикамерного блока на глибині Н 160 м з розмірами камер та ціликів 2,1 м, 0,6 м, 1,2 м.

2. Ефективність камерної системи виймання ціликів в умовах шахт Західного Донбасу визначається імовірністю Р втрати стійкості камер, яка залежить від глибини розробки. При бурошнековому вийманні трикамерного блока з раціональними для даних гірничо-геологічних умов розмірами камер та ціликів на глибині Н 160 м Р не перевищує значення 0,1. У випадку комбайнового виймання трикамерного блока на глибині Н 320 м імовірність втрати стійкості камер Р 0,14.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Уперше для гірничо-геологічних умов шахт Західного Донбасу стосовно до бурошнекового та комбайнового виймання стрічкових ціликів встановлені нелінійні корреляційні співвідношеня, що зв`язують максимальні значення зміщень та напруг в покрівлі, ціликах і грунті з геометричними параметрами камерної системи розробки та характеристиками фізико-механічних властивостей вугілля і вміщуючих порід.

2. Для підвищення ефективності проектуємої камерної системи відпрацювання ціликів в умовах шахт Західного Донбасу уперше визначені величини імовірностей утрати стійкості очисних виробок на різних глибинах при бурошнековому та комбайновому вийманні.

Наукове значення роботи полягає в установленні закономірностей розподілу напруг та зміщень у покрівлі, грунті та ціликах з урахуванням чинника часу і розкиду вихідних даних по геометричних параметрах камерної системи розробки та фізико-механічних характеристиках вугілля і вміщуючих порід стосовно до бурошнекового та комбайнового виймання стрічкових ціликів в умовах шахт Західного Донбасу.

Практичне значення виконаних досліджень.

1. Удосконалено конструкцію шнекового бура, завдяки чому забезпечено його мінімальне відхилення від передбаченого проектом напрямку руху та продуктивність установки БЗМ - 1М збільшується з 30 до 60 ... 100 т за добу.

2. Створено новий вугільний нарізний комбайн “Дніпро” (Патент №3769-ХІІ, Украина.- Заяв.- 23.12.93), який можна використовувати і як очисний, у тім числі для розробки стрічкових ціликів тонких вугільних пластів міцністю f = 2 . . . 3,5 у слабких вміщуючих породах.

Завдяки поліпшеній маневреності та можливості регулювання за потужністю пласта комбайн забезпечує значне підвищення продуктивності гірничих робіт і скорочення втрат корисної копалини.

3. На основі встановлених закономірностей спільного деформування системи “покрівля-цілики-грунт” складено методику розрахунку параметрів камерної системи розробки тонких пологих вугільних пластів у слабких породах. За її допомогою визначені раціональні параметри камерної системи розробки стрічкових ціликів для умов шахт Західного Донбасу.

Обгрунтованість та достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджено результатами порівнянь розрахункових значень зближень покрівлі та грунту розрізної печі з відповідними даними натурних вимірів. Відмінності складають не більш, ніж 14 %.

Реалізація результатів досліджень.

У 1995 - 96 р.р. на шахті “Першотравнева” відпрацювання виїмкового поля 337 лави пласта с1 горизонту 160 м здійснювалося бурошнековими машинами БЗМ - 1М з удосконаленим виконавчим органом. Параметри використовуваної камерної системи визначалися за розробленим алгоритмом.

Складену методику розрахунку раціональних параметрів камерної системи розробки тонких пологих вугільних пластів у слабких породах прийнято для використання ДХК “Павлоградвугілля” та ДВАТ “Дніпродіпрошахт”.

Особистий внесок здобувача у результати досліджень полягає у розробці розрахункового алгоритму та методики обгрунтування параметрів камерної системи виймання вугілля у слабких породах, у корреляційному аналізі теоретичних даних, формулюванні ідеї і наукових положень, висновків та практичних рекомендацій. Як відповідальний виконавець експериментально-виробничої частини роботи автор брав безпосередню участь в проведенні шахтного експерименту і статистичній обробці результатів, в роботі по удосконаленню установки БЗМ-1М та в створенні конструкції комбайна “Дніпро”.

Апробація результатів.

Основні результати досліджень розглядалися на наукових семінарах кафедри підземної розробки родовищ Національної гірничої академії України (м. Дніпропетровськ, 1995, 1996, 1997) та відділу гірничої механіки Інституту геотехнічної механіки НАН України (м. Дніпропетровськ, 1996), доповідалися на VIII міжнародному симпозіумі з методів дискретних особливостей у задачах математичної фізики (м. Феодосія, 1999), на міжнародній конференції з математичного моделювання (м. Херсон, 2000) і на І-й науково-практичній конференції “Нестеренковские чтения”, присвяченої 100-річчю з дня народження проф. П.Г.Нестеренка (м. Дніпропетровськ, 2000).

Публікації.

За темою дисертації опубліковано 3 статті в науково-технічних журналах, 3 доповіді в матеріалах науково-технічних конференцій і отримано патент на винахід та рішення про видачу патенту на винахід.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів та висновків, викладених на 140 сторінках, містить 27 рисунків, 13 таблиць, перелік посилань з 133 назв і 3 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

пласт вугілля цілик камера

У вступі обгрунтовується актуальність теми досліджень, формулюються винесені на захист наукові положення, характеризуються наукова новизна та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі коротко описуються гірничо-геологічні умови шахт Західного Донбасу. Особливості родовища такі: положисте залягання порід та вугільних пластів; товщина розроблюваних пластів коливається від 0,5 до 1,28 м, а глибина залягання - від 90 до 480 м; модулі пружності Е вміщуючих порід мають значення (0,1 ... 2,26)104 МПа, а коефіцієнт Пуассона = 0,2...0,45; середні значення границі міцності с порід покрівлі та грунту на різних шахтах дорівнюють 20 ... 40 МПа; середні значення с вугілля складають 35 МПа при коефіцієнті варіації V = 25%. Вугілля та вміщуючі породи схильні до повзучості ( = 0,7 для вугілля та всіх порід, а параметри мають такі значення: = = 1,1710-2 с-0,3 для аргіліту, = 5,5410-3 с-0,3 для алевроліту, = 3,2810-3 с-0,3 для пісковика, = 2,3210-3 с-0,3 для вугілля). Це стало підставою вибору для масиву моделі лінійно-спадкового середовища з ядром Абеля й зумовило імовірнісно-статистичний підхід не тільки до експериментальних, а й теоретичних досліджень.

Далі у першому розділі розглянуто існуючі технології ведення очисних робіт на тонких пластах. Відзначається, що для використання на шахтах Західного Донбасу бурошнекові установки потребують доробки різальних органів і призначення раціональних параметрів камер та ціликів. Для підвищення коефіцієнта виймання вугілля та збільшення продуктивності як очисне устаткування в даних умовах рекомендується використовувати нарізний комбайн “Дніпро”. При чотириметровій ширині камери він дає змогу діставати вугілля з коефіцієнтом міцності за М.М.Протодьяконовим f = 2,0 ... 3,5 та зі значно більшою (у порівнянні з бурошнековою установкою) продуктивністю. Покрівлю в цоьму випадку необхідно підтримувати індивідуальним дерев`яним кріпленням. Для визначення його раціональних параметрів та здійснення розрахунків геометричних розмірів камерної системи розробки слід мати методику, яка дала б змогу достатньо повно відображати в алгоритмі специфіку конкретних гірничо-геологічних та гірничотехнічних умов. Аналіз відомих рішень відповідних задач геомеханіки, огляд яких наводиться в першому розділі, свідчить, що для умов шахт Західного Донбасу ще немає такої методики. З урахуванням цієї обставини, а також усього вышенаведеного і сформульовано мету та задачі досліджень, актуальні для науки і гірничого виробництва.

Другий розділ присвячено теоретичному обгрунтуванню геометричних параметрів камерної системи розробки стрічкових ціликів у слабких породах. Контактна задача для системи “покрівля-цілики-грунт” щодо бурошнекового виймання розв`язується методом граничних елементів. Діюче навантаження - вага порід. Розрахункові схеми містять різну кількість камер у виділеному блоці, завдяки чому встановлюється картина напружено-деформованого стану на різних стадіях очисних робіт. При цьому береться до уваги, що повний цикл технологічних операцій відносно відпрацювання установками БЗМ - 1М однієї камери завширшки a = 2,1 м та завдовжки l = 30 м складає 6 годин. Відповідно до прийнятого моделю середовища модулі пружності вугілля і порід покрівлі та грунту в аналізовані моменти визначаються за формулою

,

де функція повзучості;

t час, с.

Геометричні розміри аналізованої області масиву та співвідношення ширини і довжини камер такі, що дають можливість розв`язувати задачу в рамках гіпотези плоскої деформації.

Ширина блока визначається за формулою А = na + (n-1)b, де n кількість камер у блоці; a ширина камери, м; b ширина міжкамерного (тимчасового) цілика, м.

Між блоками камер залишаються опорні цілики шириною b1, призначуваної з не менш як дворазовим запасом міцності. Для міжкамерних ціликів, які можуть руйнуватися після відпрацювання всього блока, допускається коефіцієнт запасу, що дорівнює одиниці. Розмір А повинен бути таким, щоб протягом розробки блока покрівля зберігала стійкість. Критерієм стійкості є величина зближення грунту та покрівлі камер. В аналізованих умовах вона не повинна перевищувати 3,5 см, оскільки при більших зміщеннях, як свідчать шахтні спостереження, відбувається обвалення порід покрівлі в камеру.

Для кількісної оцінки ступеня впливу чинника часу порівнюються результати двох рішень для однієї і тієї ж розрахункової схеми - отримані на основі згаданої моделі лінійно-спадкового середовища і при використанні моделі пружного середовища без урахування змін деформаційних властивостей порід від часу. Виявляється, що максимальне зближення грунту та покрівлі камери через повзучість порід збільшується у 1,85 раза.

Для визначення імовірності утрати стійкості камер напруги, знайдені розрахунком, оцінюються за критерієм руйнування, який має вигляд

R = гран - (екв)max 0 (1)

В умові (1) гран дорівнює середньому значенню границі міцності породи покрівлі на стиск , а (екв)max являє собою еквівалентну напругу в небезпечному перетині камери і визначається за критерієм П.П.Баландіна:

екв = , (2)

де 1 і 3 найбільша та найменша головні напруги;

= р / с ;

р і с границі міцності породи на розтяг і стиск.

При цьому вводиться характеристика безпеки за А.Р.Ржаніциним:

, (3)

де коефіцієнт запасу міцності;

; дисперсія функції R, що, як виходить з (1), дорівнює дисперсії гран, тобто дисперсії с;

V = R/гран коефіцієнт варіації напруги с .

Для функції R (1) приймається нормальний закон розподілу і тому імовірність обвалення порід покрівлі визначається за формулою

,

де інтеграл імовірності, таблиці значень якого широко розповсюджені в літературі з теорії імовірностей.

На рис. 1 зображені епюри нормальних напруг xx [МПа] і вертикальних переміщень uy [см] в покрівлі та грунті камер блока з раціональними для гірничо-геологічних умов шахт Західного Донбасу параметрами. На тому ж рисунку показані епюри напруг (екв)max у опорному (рис. 1в) і у міжкамерному (рис. 1г) ціликах, обчислених за критерієм (1). Розрахунок виконано для значення Н = 160 м. Розглянуто найбільш небезпечне положення, коли блок сусідить з областю порід, зруйновиних у результаті попередньої розробки.

Аналогічні епюри, що стосуються комбайнового способу виймання вугілля, зображені на рис. 2 а, б, в.

Результати розрахунку імовірності утрати стійкості першої камери залежно від глибини розробки бурошнековим способом при a = 2,1 м, b=0,6 м, b1 == 1,2 м, m = 0,8 м і n = 3 подані графіком на рис.3а. З нього видно, що на глибині Н = 160 м імовірність обвалення порід покрівлі не перевищує 0,1. Не випадково максимальне переміщення та напруга в покрівлі, грунті і ціликах (рис.1) не перевищує в цьому випадку граничних значень. На глибині Н = 220 м, проте, імовірність обвалення покрівлі досягає 0,65. Тому під час виймання пластів на глибині Н 220 м в аналізованих гірничо-геологічних умовах з метою підвищення надійності робіт доцільно дещо зменшити ширину камер або збільшити ширину ціликів. У разі видобутку комбайнами при a = 4,0 м, b = 0,6 м, b1 = 1,2 м, m = 1,2 м, n = 3 і наявності дерев`яного індивідуального кріплення імовірність утрати стійкості на глибині Н = 220 м складає 0,14 (рис.3б). Це підтверджує правильність рекомендацій щодо параметрів камер та ціликів для умов шахт Західного Донбасу.

Розрахунки за розробленим алгоритмом виконувалися для низки визначальних параметрів:

Н = 160 м; m = 0,8 м; a = 2,1 м; b = 0,6 м; b1 = 1,2 м):

а) напруги xx; б) зближення грунту та покрівлі uy;

в) і г) напруги екв в ціликах.

Н = 320 м; m = 1,2 м; a = 4 м; b = 0,6 м; b1 = 1,2 м):

а) напруги xx; б) зближення грунту та покрівлі uy;

в) напруги екв в ціликах.

а) при бурошнековому вийманні вугілля;

б) при розробці комбайном.

b/m 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 0,9; 1,0; 1,2; 1,5; 1,6,

a/b 1,55; 1,75; 2,33; 3,50; 4,66, пН/(с)вуг 0,05; 0,11; 0,23; 0,36, Евуг /Еп 0,15; 0,39; 1,25.

Висота камер та ціликів дорівнює потужності m пласта, що виймається.

Внаслідок корреляційного аналізу даних 180 варіантів розрахунку встановлені рівняння регресії для максимальних значень зближень покрівлі та грунту у відсотках від потужності пласта:

, (4)

а також для відношень максимальних разтягуючих напруг xx у покрівлі до пН:

. (5)

Для міжкамерних ціликів отримані співвідношення

,

,

де (yy)max та (екв)max нормальна yy і еквівалентна екв напруги в небезпечному перетині цілика.

Для опорних ціликів встановлена корреляційна залежність:

. (7)

Множинні корреляційні відношення отриманих залежностей мають значення 0,904 ... 0,985, а величини критерія Фішера значно більші одновідсоткових границь відхилень, що свідчить про достатньо тісну корреляцію досліджуваних величин з варійованими параметрами та статистичну значущість встановлених зв`язків.

Розрахунок за формулами (4)-(7) у випадку блока з раціональними параметрами приводить до значень напруг та переміщень, які практично збігаються з максимумами на епюрах рис. 1. Достовірність результатів розрахунків за розробленою методикою підтверджує і той факт, що з лютого 1995 р. по квітень 1996 р. на шахті “Першотравнева” з використанням рекомендованих параметрів камер та ціликів установками БЗМ-1М було видобуто 7628 т вугілля.

У третьому розділі описуються результати експериментальних досліджень, здійснених у 1991 - 1996 р.р. на шахтах “Першотравнева” та “Ювілейна” ДХК “Павлоградвугілля”. Визначається область найбільш ефективного застосування різного очисного устаткування для відпрацювання стрічкових ціликів, що залишаються для охорони гірничих виробок. В умовах шахт Західного Донбасу з коефіцієнтом міцності вугілля f = 2 ... 2,5 - це бурошнекові установки БЗМ - 1М з удосконаленою конструкцією бурового шнека, а при f = 2,5 ... 3,5 комбайни КН - 78 або “Дніпро”. Стосовно до бурошнекового виймання встановлюються раціональні для цих умов параметри камер та ціликів. При потужності пласта m = 0,6 ... 0,8 м та глибині розробки Н 160 м вони мають значення a = 2,1 м, b1 = 0,9 ... 1,55 м, b = 0,6 ... 0,75 м. Цей висновок узгоджується з відповідними теоретичними результатами. Наводяться основні фактичні технологічні параметри бурошнекового та комбайнового відпрацювання ціликів міцного вугілля у слабких породах: швидкість подавання, час відпрацювання камери, споживана потужність, обсяг видобутку і втрат корисної копалини, коефіцієнт машинного часу та питомі витрати на видобуток 1 т вугілля.

Для порівняння з теоретичними використовуються дані спостережень за зближеннями грунту та покрівлі у процесі проходки розрізних печей 566-ї і 564-ї лав пласта с6 горизонту Н = 180 м на шахті “Ювілейна”. Різниця не більше 14%.

У четвертому розділі за розробленою методикою визначаються раціональні параметри камер, ціликів та індивідуального дерев`яного кріплення для розробки тонких стрічкових ціликів в умовах шахт Західного Донбасу комбайном “Дніпро”. Показано, що при глибині розробки Н 320 м, потужності пласта m = 0,8 ... 1,2 м, ширині камери a = 4 м, ширині міжкамерного цілика b = 0,6 м, а опорного b1 = 1,2 м дерев`яні стояки діаметром 12 ... 15 см необхідно встановлювати з кроком 0,8 м. До того ж стійкість покрівлі забезпечується з триразовим запасом, опорні цілики працюють з коефіцієнтом запасу 2,13, а максимальні еквівалентні напруги в міжкамерних ціликах блока з трьох камер близькі до граничних, що відповідає нормам проектування. У порівнянні з бурошнековим вийманням втрати вугілля під час розробки комбайном зменшуються на 35%, а продуктивність збільшується в 2 ... 3,3 рази.

ВИСНОВКИ

На основі встановлених закономірностей спільного деформування системи “покрівля-цілики-грунт” у дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-технічна задача визначення раціональних параметрів камерної системи відпрацювання стрічкових вугільних ціликів в умовах шахт Західного Донбасу. Основні підсумки і висновки, в яких відображені головні наукові та практичні результати виконаних досліджень, такі:

1. За допомогою метода граничних елементів і моделі лінійно-спадкового середовища розроблено ефективний розрахунковий алгоритм для визначення напружено-деформованого стану покрівлі, ціликів вугілля і грунту. На відміну од відомих, цей алгоритм дає можливість враховувати випадковий характер зміни фізико-механічних характеристик слабких вміщуючих порід неоднорідного масиву та чинник часу. Алгоритм використано для визначення кількості камер у блоці та розрахунку їх раціональних параметрів виходячі з умови стійкості, а також для встановлення інтервалу часу відпрацювання виділеного блока бурошнековою установкою та комбайном в умовах шахт Західного Донбасу.

2. Уперше отримані нелінійні корреляційні залежності максимальних значень відносних зближень покрівлі та грунту камери , а також відносних максимальних значень нормальних напруг , і еквівалентних напруг (екв)max /Н у покрівлі та ціликах від параметрів Евуг/Еп, пН/(с)вуг , a/b, b/m. Встановлені залежності використовуються для прогнозу проявів гірського тиску при камерній системі розробки тонких пологих вугільних пластів у слабких породах.

3. На основі встановлених закономірностей спільного деформування системи “покрівля-цілики-грунт” розроблено методику розрахунку параметрів камерної системи відпрацювання пологих тонких вугільних пластів у слабких породах. Завдяки імовірнісному урахуванню неоднорідності породного масиву та чинника часу розроблена методика дозволяє визначати раціональні параметри камер і ціликів, при яких на 35% скорочується утрати вугілля у надрах та забезпечується достатня надійність і ефективність гірничих робіт при комбайновому вийманні в умовах шахт Західного Донбасу. Методику взято до використання ДВАТ “Дніпродіпрошахт” (м. Дніпропетровськ).

4. За розробленою методикою визначені раціональні параметри бурошнекового виймання вугілля в умовах шахт Західного Донбасу: виділений за умовою стійкості блок має ширину А = 7,5 м, довжину L = 30 м, включає три камери розміром а = 2,1 м та два міжкамерних цілика шириною b = 0,6 м; ширина опорних ціликів між блоками b1 = 1,2 м. Технологічно допустимий інтервал часу відпрацювання блока на глибині Н 160 м при товщині пласа m = 0,6 ... 0,8 м та міцності вугілля f = 2,0 ... 2,5 составляє 18 годин. Імовірність утрати стійкості камер при цьому не перевищує значення 0,1.

Ефективність указаних параметрів підтверджена промисловою перевіркою у процесі бурошнекового виймання стрічкових ціликів і пластів с1, на шахті “Першотравнева” у 1995-96 роках. Обсяг видобутку склав 7628 т.

5. За запропонованою методикою визначено раціональні для умов шахт Західного Донбасу параметри технології відпрацювання стрічкових ціликів комбайном “Дніпро”: при m = 0,8 ... 1,2 м, f = 2,5 ... 3,5 та Н 320 м трикамерний блок А L = 13,2 60 м з розмірами камер і ціликів відповідно а = 4 м, b = 0,6 м та b1 = 1,2 м відпрацьовується протягом 18 годин. При цьому покрівля камер підтримується індивідуальним дерев`яним кріпленням з кроком встановлення l0 = 0,8 м. Імовірність утрати стійкості камер у виділеному блоці не перевищує значення 0,1.

6. Виконано кількісну оцінку ступеня впливу чинника часу на переміщення покрівлі та грунту камери. Результати розв`язувань відповідної контактної задачі для одних і тих же умов з урахуванням та без урахування цього чинника свідчать, що за рахунок зміни деформаційних властивостей порід у часі максимальне зближення покрівлі та грунту збільшується в 1,85 раза.

7.Удосконалено базову конструкцію шнекового бура установки БЗМ-1М, завдяки чому забезпечено його мінімальне відхилення від напрямку руху, що передбачений проектом, та зростає продуктивність праці.

8. Визначено основні фактичні технологічні параметри бурошнекового та комбайнового відпрацювання ціликів міцного вугілля в слабких вміщуючих породах: швидкість подавання, час відпрацювання камери, споживана потужність, обсяг видобутку і втрат корисної копалини, коефіцієнт машинного часу та питомі витрати на видобуток 1 т вугілля.

9. Епюри зближень грунту та покрівлі камер виділеного блока, отримані для ідентичних гірничо-геологічних умов розрахунком і за даними натурних вимірів, відрізняються не більш, ніж на 14%, що свідчить про достатню точність результатів виконаних теоретичних досліджень та достовірність сформульованих у роботі наукових положень, висновків та рекомендацій.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВІДОБРАЖЕНО У ТАКИХ РОБОТАХ:

1. Новикова Л.В., Бузило В.И., Сердюк В.П., Яворский В.Н. Определение рациональных параметров камерной системы разработки пологих пластовых месторождений // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. трудов / Ин-т геотехнической механики НАН Украины. - Днепропетровск .- 2000.- Вып.18.-С. 60-66.

2. Новикова Л.В., Заславская Л.И., Яворский В.Н. Влияние глубины разработки на устойчивость камер // Науковий вісник НГА України, Дніпропетровськ.- 1999.- № 5.- С. 36-38.

3. Заславская Л.И., Яворский В.Н., Сердюк В.П., Кошка А.Г. Исследование влияния фактора времени на сближение почвы и кровли выемочной камеры // Разработка рудных месторождений: Республиканский межвед. научн.-техн. сб.- Кривой Рог.- 1999.- № 70.- С. 35-38.

4. Пат. №3769-ХІІ, Україна, “Вугільний нарізний комбайн” / Родіонов І.Ф., Яворський В.М. .- Заяв.- 23.12.93.

5. Рішення на видачу патенту України за заявкою № 99042301.- 23.04.99. Вугільний нарізний комбайн “Дніпро” / Родіонов І.Ф., Яворський В.М. (Україна).

6. Савостьянов А.В., Сердюк В.П., Кошка А.Г., Яворский В.Н. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния горного массива угольных шахт // Прикладные проблемы математического моделирования: Вестник Херсонского государственного технического университета. (По материалам VIII Междунар. симпозиума по методам дискретных особенностей в задачах мат.физики). - Херсон.- 1999.- С. 149-151.

7. Новикова Л.В., Заславская Л.И., Яворский В.Н. Вероятностный подход к анализу НДС целиков и потолочин // Прикладные проблемы математического моделирования: Вестник Херсонского государственного технического университета. (По материалам ІІІ Междунар. конф. по математическому моделированию).- Херсон.- 2000.- С. 175-178.

8. Новикова Л.В., Заславская Л.И., Яворский В.Н. Оценка конвергенции пород в камере при отработке тонких угольных пластов в слабых породах // Науковий вісник НГА України (за матеріалами І-ої науково-практ. конф. “Нестеренковские чтения”).- Дніпропетровськ.- 2000.- №3.- С. 99-100.

АНОТАЦІЯ

Яворський В.М. Обгрунтування параметрів технології відпрацювання вугільних ціликів камерами в умовах шахт Західного Донбасу.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.02 - Підземна розробка родовищ корисних копалин.- Національна гірнича академія України. Дніпропетровськ, 2000.

Розкрито закономірності розподілу напруг та зміщень системи “покрівля-цілики-грунт” (за допомогою метода граничних елементів та моделі лінійно-спадкового середовища) з урахуванням розкиду вихідних даних за фізико-механічними характеристикам та геометричними параметрами камерної системи розробки тонких пологих вугільних пластів в слабких породах. Отримано корреляційні співвідношення для максимальних значень зближень грунту та покрівлі і максимальних значень нормальних xx, yy та еквівалентних екв (за критерієм П.П.Баландіна) напруг у покрівлі та ціликах. Для випадку міцного вугілля і слабких вміщуючих порід з використанням характеристики безпеки за А.Р.Ржаніциним встановлена залежність імовірності утрати стійкості камер від глибини розробки. Розроблено методику розрахунку параметрів камерної системи відпрацювання тонких пологих вугільних пластів в слабких породах. З її допомогою для умов шахт Західного Донбасу визначені та впроваджені в промислових умовах раціональні параметри бурошнекового і комбайного тонких стрічкових ціликів.

Ключові слова: бурошнекова і комбайнова розробка вугілля, камера, цілик, грунт, імовірність втрати стійкості.

АННОТАЦИЯ

Яворский В.Н. Обоснование параметров технологии отработки угольных целиков камерами в условиях шахт Западного Донбасса.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.02 - Подземная разработка месторождений полезных ископаемых.- Национальная горная академия Украины. Днепропетровск, 2000.

Проанализированы существующие методики расчета параметров камерной системы разработки, описаны положительные и негативные качества современных технологий подземных очистных работ на пологих угольных пластах.

На основе выполненного анализа показано, что исполнительные органы стандартных выемочных машин требуют определенной доработки для обеспечения возможности выемки с их помощью тонких пластов крепкого угля в слабых породах и что необходима разработки методики расчета рациональных параметров камер и целиков, учитывающей такие специфические условия.

Для решения этих задач применительно к горно-геологическим условиям шахт Западного Донбасса с помощью метода граничных элементов и модели линейно-наследственной среды разработан алгоритм расчета компонент напряженно-деформированного состояния неоднородного породного массива вокруг ряда камер. Соответствующая контактная задача о взаимодействии элементов системы “кровля-целики-почва” решается с использованием ряда расчетных схем, приуроченных к различных стадиям очистных работ, и потому содержащих различное число камер. Благодаря этому при оценке устойчивости учитывается перераспределение напряжений и перемещений в окружающих породах по мере образования новых камер.

Целики, в зависимости от их функционального назначения, - междукамерные или опорные, - имеют различную ширину, что позволяет уменьшить потери угля в недрах.

В отличие от известных разработанный алгоритм учитывает случайный характер изменения физико-механических характеристик вмещающих пород, обусловленный неоднородностью массива. Алгоритм использован для определения технологически допустимых интервалов времени отработки выделенного ряда камер (блока) бурошнековой установкой и комбайном. Показано, что за счет изменения деформационных свойств пород во времени максимальное сближение кровли и почвы увеличивается в 1,85 раза.

На основе множественного нелинейного корреляционного анализа данных 180 вариантов расчетов, выполненных по предложенному алгоритму, получены уравнения регрессии, связывающие максимальные значения относительных величин сближений почвы и кровли камеры uy/m , а также относительных максимальных величин нормальных xx /пН и yy / пН и эквивалентных напряжений экв / пН в кровле и целиках с варьируемыми параметрами Ey/Еп, пН/(с)y , a/b и b/m (m - мощность пласта; (с)y - предел прочности угля на сжатие; Ey и Еп - модули упругости угля и породы; п - объемный вес породы кровли; a - ширина камеры; b - ширина междукамерного целика; Н - глубина разработки).

Эквивалентные напряжения определены по критерию П.П.Баландина с криволинейной огибающей кругов Мора, учитывающему различное сопротивление пород растяжению - сжатию.

Исходя из характеристики безопасности по А.Р.Ржаницыну, получена зависимость вероятности потери устойчивости камер от глубины разработки применительно к бурошнековому и комбайновому способу добычи в рассматриваемых горно-геологических условиях.

С использованием установленных закономерностей совместного деформирования системы “кровля-целики-почва” разработана методика расчета параметров камерной системы отработки пологих тонких угольных пластов в слабых породах.

С ее помощью для условий шахт Западного Донбасса определены рациональные параметры бурошнековой выемки угля и технологии отработки тонких ленточных целиков нарезным комбайном “Днепр”.

Предложены оригинальные технические решения по доработке бурового става установки БЗМ-1М и по конструкции режущего органа нового комбайна “Днепр”, защищенного Патентом Украины.

Испытания, проведенные на шахтах ГХК “Павлоградуголь”, показали, что внедрение рекомендаций по усовершенствованию исполнительных органов выемочных машин и по размерам камер и целиков обеспечило бесперебойную эффективную работу очистного оборудования и безопасность труда.

Выполнено сравнение эпюр сближений почвы и кровли камер выделенного блока, полученных для идентичных горно-геологических условий расчетом по разработанному алгоритму и по результатам натурных измерений. Отличие составляет не более 14%.

Ключевые слова: бурошнековый и комбайновый способы добычи угля, камера, целик, вероятность потери устойчивости.

ABSTRACT

Yavorskiy V.N. - Parameter substantiation of working-out belt pillars using the groups of rooms in the mines of West Donbass. - Manuscript.

Thesis for scientific degree of candidate of science on speciality 05.15.02 - Underground mining operation of mineral deposits.

Mechanism of stress and displacement distribution of the system “roof-pillars-floor” (using method of boundary elements and model of linear-hereditary medium) taking into account spread in initial data in regard to physical and mechanical characteristics and geometrical parameters of room system of mining thin flat-dipping coal beds within weak rocks was found. Correlative relations for maximum value of roof and floor convergence and maximum value of normal xx, yy and equivalent екв (according to P.P.Balandin criterion) stresses in the roof and pillars were obtained. Dependence of roof caving probability from the deep mining for hard coal and weak country rocks using A.P.Rdzanitsyn safety according to was established. Calculation method of room system parameters of working-out thin flat-dipping coal beds within weak rocks was developed. With its help it was possible to define rational parameters of auger-drill coal extraction and working-out techniques of thin belt pillars using cutter-loader “Dnepr” for the mines of West Donbass. Epure comparison of roof and floor convergence of given block received for identical conditions using analysis of developed algorithm and results of natural measurement was made.

Key words: parameters of auger-drill extraction, mining using cutter-loader, system “roof - pillars - floor”, probability of room roof caving.

Размещено на Allbest.ru

...