Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ВІДДІЛЕННЯ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИХ ГІРНИЧИХ ПРОБЛЕМ

ДОНЕЦЬКОГО ФІЗИКО-ТЕХНІЧНОГО

ІНСТИТУТУ ім. О.О. ГАЛКІНА

05.15.02. - Підземна розробка родовищ корисних копалин

УДК 622.28

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ОБГРУНТУВАННЯ КОНСТРУКТИВНИХ ТА ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ НОВИХ ВИДІВ РАМНОГО КРІПЛЕННЯ ГІРНИЧИХ ВИРОБОК

НАСТУЄВ ЮРІЙ МИХАЙЛОВИЧ

Донецьк-2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Відділенні фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАН України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор, директор Відділення фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАН України

Алєксєєв Анатолій Дмитрович

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, пров. наук. співробітник

Відділення фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАН України, (м. Донецьк).

Жуков Володимир Єгорович

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Українського державного науково-дослідного та проектно-конструкторського інституту гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України, (м. Донецьк).

Піховкін Віктор Святославович

Провідна установа - Донецький національний технічний університет (Гірничий інститут) міністерства освіти і науки України, (м. Донецьк).

Захист відбудеться "04" грудня 2001 р. о 10⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої ради К 11.184.02 у Відділенні фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАНУ за адресою: 83114, вул. Р. Люксембург, 72.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Відділення ФТГП ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАНУ за адресою: 83114, вул. Р. Люксембург, 72.

Автореферат розіслано " 02 " листопада 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої Ради, канд.техн.наук.

Є.І. Піталенко

ВСТУП

Актуальність теми. Металеве піддатливе рамне кріплення є основним типом, що використовується у вуглевидобувній промисловості України. Зараз ним підтримується біля 90% гірничих виробок і в найближчий час ця цифра суттєво не зміниться, так як гірничо-геологічні умови зі збільшенням глибини розробки безперервно погіршуються. За цих обставин задовільний експлуатаційний стан виробок може бути забезпечений тільки при застосуванні піддатливих рамних конструкцій з відповідними силовими та кінематичними параметрами, що базується на загальновизнаному факті роботи кріплення та прилеглої до контуру частини порідного масиву в режимі взаємовпливу. Проте такий підхід практично не отримав у вітчизняній практиці відображення в частині номенклатури типів та параметрів застосовуємих конструкцій, вибір яких здійснюється практично на безальтернативній підставі. В той же час конструкції, що серійно випускаються, за своїми силовими та кінематичними параметрами не відповідають новим умовам застосування, що є основною причиною багатьох відмов кріплення у виробках, що знаходяться ще в процесі їх проведення. Наслідком такого стану є дуже високі та невиправдані ресурсовитрати, що пов'язані, в першу чергу, з необхідністю пере кріплення підготовчих виробок ще до початку впливу очисних робіт, а їх стан створює серйозні перешкоди для збільшення інтенсивності відробки запасів. Складність обґрунтування та пошуку необхідних технічних рішень збільшується при цьому неможливістю прямого запозичення із закордонної практики через причину низького оснащення вітчизняних підприємств-виробників кріплення. Перераховані моменти свідчать про високу актуальність проблеми обґрунтування та створення нових конструкцій рамного піддатливого кріплення з параметрами, значення яких відповідає новим геомеханічним обставинам.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Матеріали дисертації пов'язані з планом науково-технічних робіт з проблем дослідження геомеханічних процесів у вуглепорідному масиві на великих глибинах, що проведені у ВФТГП ДонФТІ НАНУ (№ ДР 0100U00291, 0201U003873).

Ідея роботи полягає в установленні та урахуванні особливостей прояву гірничого тиску для обґрунтування та вибору основних технічних рішень при розробці нових конструкцій рамного піддатливого кріплення.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є обґрунтування та вибір основних технічних рішень, які забезпечують підвищення силових параметрів робочої характеристики кріплення до рівня 320-400 кН на раму при конструктивній піддатливості не менш 1000 мм при стабільності вказаних параметрів.

Для досягнення мети дослідження були поступово вирішені наступні задачі.

Встановлені особливості деформацій приконтурної частини масиву у виробках, які проводяться та підтримуються в тяжких геомеханічних умовах, при значеннях критеріях стійкості К_у0,4, який слідує з того, що саме схема деформації порідного контуру визначає схему навантаження конструкції та характер діючих зусиль.

На основі зіставлення розрахункових результатів з результатами спеціальних експериментів визначені необхідні інтервали чисельних значень параметрів робочого опору та конструктивної піддатливості кріплення, які відповідають новим умовам їх експлуатації.

Виконано обґрунтування та вибір основних конструкційних рішень нового рамного кріплення, яке забезпечить стійкість підготовчої виробки на весь період її експлуатації.

Розроблені експериментальні конструкції рамного кріплення нового типу, проведені стендові та промислові перевірки окремих вузлів та конструкцій в цілому.

Виконаний аналіз результатів випробувань нових конструкцій, надано техніко-технологічну оцінку та визначено напрямки їх подальшого удосконалення.

Надано узагальнену техніко-економічну оцінку результатів промислових випробувань нових конструкцій.

Об'єктом досліджень є підготовчі виробки (конвеєрні штреки, похили), які проходяться та підтримуються в умовах стовпової системи розробки.

Методи досліджень. Для виконання роботи були використані комплексні дослідження, що містять методи механіки суцільного середовища, лабораторні та шахтні експерименти, а також положення будівельної механіки та техніко-економічний аналіз.

Наукова новизна одержаних результатів.

Вперше встановлено, що застосовані конструкції рамного кріплення, які зараз застосовуються, не забезпечують підтримання підготовчих виробок внаслідок невідповідності їх силових та кінематичних параметрів діючим в тяжких гірничо-механічних ситуаціях умовам навантаження.

Визначені ефективні інтервали зміни необхідних значень величини опору та конструктивної піддатливості, а також технологічні параметри установки кріплення, що забезпечують безремонтне підтримання виймальних штреків на великих глибинах. Ефективний інтервал зміни значень робочого опору складає від 4 до 15 кН/м² підтримує мої ширини перерізу для глибини 800 м та до 25 кН/м² для глибини 1200 м.

Вперше обґрунтована найбільш раціональна форма поперечного перерізу виробки та кріплення, а також місця розташування вузлів піддатливості, що дозволяє забезпечити відповідність режиму навантаження параметрів робочої характеристики та їх стабільність на всьому інтервалі конструктивної піддатливості. Раціональна форма перерізу уявляє собою напівовоїд з співвідношенням висоти до ширини уздовж підошви в межах 0,74-0,80.

Наукове значення роботи міститься у встановленні закономірностей формування схеми навантаження та особливостей взаємодії кріплення та вміщуючих порід, як основи концептуального підходу при створенні нових типів рамних конструкцій з підвищеними параметрами робочої характеристики.

Практичне значення одержаних результатів міститься у підвищенні рівня обґрунтованості конструктивних рішень, які використовуються при розробці нового рамного кріплення, та забезпеченні необхідних його силових, кінематичних та геометричних параметрів.

Реалізація висновків та рекомендацій роботи. Основні положення роботи використані при розробці експериментальних та дослідних конструкцій нового рамного кріплення на АП “Шахта ім. О.Ф. Засядько” (КМП-А5С) та шахті “Новодонецька” ДХК “Добропіллявугілля” (КМП-А3КР1) загальною кількістю біля 28,0 тисяч комплектів за 1998-2001рр.. Положення роботи також використані ДНЦ АГН України при розробці удосконалених моделей КМП-А3Р2 та КМП-А4Р2.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно визначено мету та ідею роботи, поставлено задачки та намічено шляхи їх вирішення, а також проведено теоретичні і експериментальні роботи, узагальнені результати досліджень, сформульовані наукові положення, зроблено висновки і розроблено рекомендації по використанню нових видів кріплення. Автор приймав особисту участь в організації і проведенні досліджень на шахті ім. А.Ф. Засядько та “Ново-Донецька,” в розробці програми та методики випробувань. Зміст дисертації викладено автором особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи та її окремі розділи доповідалися і одержали схвалення на засіданнях вченої ради ВФТГП ДонФТІ ім. О.О. Галкіна (1998-2001рр.), ДНЦ АГН України (1994-2000рр.), на засіданнях секції НТР Мінвуглепрому України (11.11.1995р. та 10.07.1998р.), на технічних радах шахт, які проводили виробничі випробування нового кріплення, IX-XІ міжнародних наукових школах “Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках” - Симферополь, 1999. - С. 3-7, и Симферополь, 2001. - С.5-6.

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано в 5-х статтях у наукових спеціалізованих виданнях та 2 тезисах доповідей на наукових конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел із 70 найменувань, містить 177 сторінок, 31 рисунок, 7 таблиць.

Основний зміст роботи

Розділ 1. Загальний стан, проблеми і характеристика роботи. У першому розділі надається характеристика умов проведення та підтримання підготовчих виробок на глибоких шахтах, аналізуються тенденції розвитку засобів кріплення та приймаються оціночні критерії: критерій стійкості К_у, який запропонований Ю.З.Заславським, критерій працездатності А_к (U), запропонований проф. Г.Г. Литвинським, та оптимальності конструкції К_о. Показано, що зрівняння різних конструкцій рамного кріплення може здійснюватися тільки на основі комплексного критерію працездатності та його похідних (наприклад, потужності). Останнє обґрунтовується єдністю фізичної сутності процесів, які мають місце в прилеглій до контуру частині порідного масиву та при просіданні кріплення під навантаженням.

З урахуванням вказаних критеріїв здійснено широке обстеження стану підготовчих виробок діючих глибоких шахт Донецького басейну з метою виявлення особливостей деформацій порідного контуру та відповідності застосовуємих конструкцій новим умовам застосування. Всього обстежено 46 виробок на загальній відстані біля 50 км. Відповідно зі значеннями критерію К_у = 0,4-0,5 та 0,6 обстежені виробки розділені на дві групи: 18 (40%) і 28 (60%) відповідно. Аналіз їхнього стану та характеру пошкоджень кріплення дозволив установити наступне. Незадовільний стан виробок та необхідність пере кріплення обумовлені багатьма відмовами конструкцій серійного кріплення, яке має недостатні силові та кінематичні характеристики. Схема навантаження характеризується нерівномірністю зміщень уздовж периметра контуру та різнохарактерністю діючих зусиль: поряд з навантаженням, яке ближче до рівномірно розподіленому (бока), виникають зусилля, які близькі до зосереджених (покрівля). В цьому випадку критичним елементом конструкції є верхняк, несуча спроможність якого виявляється недостатньою. Встановлено, що виникаюча схема навантаження є специфічною особливістю експлуатації кріплення в тяжких геомеханічних умовах і повинна обов'язково ураховуватись при створенні нових конструкцій поряд з вимогами до підвищення конструктивної піддатливості до 1000 мм та робочого опору приблизно у 2 рази, тобто до рівня 320-400 кН.

На підставі короткого аналізу застосовуємих типів рамного кріплення та технологій кріплення, їх невідповідності новим умовам застосування сформульовано зміст проблеми:

з збільшення глибини розробки зміщення порідного контуру виробки, що проводиться, досягають величин сумірних з лінійними параметрами перерізу;

зміщення уздовж периметра контуру приймають яскраво виражений нерівномірний характер через інтенсивне утворення складчатих структур, що різко погіршує умови сприйняття зовнішнього навантаження конструкцією кріплення;

в указаних умовах стан навіть самотньої підготовчої виробки може бути визначений, як нестійкий, і потребує пере кріплення вже через 3-4 місяці з моменту проведення (біля 60% шахт);

конструкції, що використовуються для кріплення таких шахт і вибираються на безальтернативній підставі, не відповідають умовам застосування, бо мають нестійкі силові та кінематичні характеристики;

вимушене пере кріплення при таких обставинах визначає дуже високий рівень витрат на їх підтримання: для найбільш тяжких умов воно перевищує на 10-30% повну кошторисну вартість нового проведення.

З матеріалів розділу слідує висновок про високу актуальність проблеми створення нового кріплення. Визначається об'єкт досліджень - самотні підготовчі виробки глибокого закладення, які проводяться та підтримуються в умовах стовпової та комбінованої систем розробки, а також задачі та методи досліджень.

Розділ 2. Аналітико-експериментальне обгрунтування силових кінематичних і геометричних параметрів нових видів рамного кріплення. У другому розділі приводяться результати аналітичного визначення ефективних інтервалів значень величини робочого опору та конструктивної піддатливості, які отримані на основі використання аналітичних рішень задачі граничної рівноваги, що запропоновані Ю.М. Ліберманом та М.Г. Алімжановим, які отримали загальне рішення для довільного виду функції знеміцнення граничної зони.

В якості критерія при виборі рішень враховувались дві обставини: найбільш відповідають реальному характеру процесів, що мають місце після проведення, задачі, які одночасно враховують змінну в залежності від значення текучого радіуса знеміцнення та об'ємну деформацію матеріалу, що піддається розтріскуванню. Рішення Ю.М. Лібермана розглядається при зіставленні як крайній випадок. З метою подальшого розвитку відомих рішень та наближення отриманих розрахункових даних до практики виконані розрахунки для конкретного виду функції знеміцнення у вигляді

f(r) = (1)

де r - текучий радіус;

r₀ - радіус виробки;

r_L - радіус граничної зони.

Розрахунок виконаний для наступних параметрів: R_сж = 30 МПа, Н - 800 м та 1200 м, об'ємна вага 2500 кг/м², кут внутрішнього тертя =25⁰. Тоді зміщення U₀ визначається за формулою

U₀ = (2)

де - коефіцієнт Пуасона;

R_сж - границя міцності порід;

Е - модуль пружності;

а₂ =

а₃ = .

З метою отримання інтервалу значення n у формулі (1) приймалось рівним 2 і 3. На Рис.1 представлені результати розрахунку чисельних значень.

Ці значення дають межу ефективного варіювання значень необхідного опору кріплення в межах від 40-50 кн/м² (звичайне кріплення) до 100-120 кн/м², причому у разі погіршання умов (наприклад, збільшення глибини) межа ефективного інтервалу розширюється. Прийнятий вид функції знеміцнення (2) обґрунтовується наступними обставинами: загальним видом по заграничної вітки характеристики, який отриманий в ході спеціальних експериментів закордонних та вітчизняних вчених (Д. Хоббса, Б. Бреді, Л. Фармера, В.Т. Глушко та інш.), а також єдністю фізичної сутності процесів руйнування зразків та матеріалу граничної зони в умовах складного напруженого стану. При цьому крайні значення функції знеміцнення приймаються виходячи з того, що властивості порід біля контура виробки відповідають ідеально сипучому середовищу (зчеплення рівняється нулю), а на зовнішній межі граничної зони вони відповідають властивостям непорушеного масиву (зчеплення рівняється 1). Степенева залежність використана для апроксимації, як найбільш проста.

В той же час з урахуванням означеної умовності виконаних розрахунків був виконаний аналіз шахтних експериментів, які здійснені в умовах суворого дотримання заданих значень опору кріплення (Г. Янс, Г. Бройнер, Р.Н. Григор'єв, І.Л. Черняк, А.С. Бурчаков, Г.Г. Сугаренко та інш.). Аналіз показав, що у випадках, коли задані рівні робочого опору кріплення суворо контролювались (т.т. були вірогідні), отримані результати добре кореспондуються з даними аналітичних розрахунків. Відміна, що має місце, пояснюється технологічними факторами (пізнє введення кріплення в роботу, фактичне відхилення значень опору кріплення від номіналу та т.п.) та коректністю використаних методик. В цілому це дозволило зробити висновок про реальності режиму взаємовпливу порід та кріплення в розглянутих умовах та про першочергову важливість силових та кінематичних параметрів, необхідні значення яких цілком можуть бути досягненими при економічно допустимих технічних рішеннях, але не можуть бути отримані в рамках подальшого використання кріплення традиційних конструкцій (КМП-А3, КМП-А5, КМП-А3УД).

З урахуванням того, що при заданій схемі навантаження несуча здатність критичного елемента конструкції верхняка суттєво залежить від його кривини, а найбільш раціональною формою перерізу є еліпс (напів еліпс), виконано обґрунтування оптимальних параметрів перерізу виробки та кріплення на основі лабораторного експерименту, в ході якого зразки порід з круглим отвором випробувались у спеціальній камері при складному напруженому стані. При цьому досліджувалась послідовність формування зони руйнування, її форма та параметри для випадків з різною орієнтацією площин ослаблення (шаруватості). З точки зору направленості дослідження принциповим результатом слід вважати отримані дані про форму поперечного перерізу: зона руйнування приймає стійку форму еліпса, геометричні параметри якого характеризуються співвідношенням головних півосей а/в=1,33-1,42. рис.2.

Рис. 2. Характер руйнування вугілля (порід) навколо порожнини круглого перерізу при об'ємному стисненні кубічних зразків із діагональним розташуванням прошарків і площин ослаблення (систем кливажних тріщин).

Такі значення прийняті в подальшому як вихідні при виборі геометричної форми та параметрів перерізу нового рамного кріплення.

Розділ 3. Обгрунтування і вибір основних технічних рішень при розробці нових видів рамного креіплення. В третьому розділі на основі детального аналізу факторів, які забезпечують необхідні значення параметрів робочого опору та конструктивної піддатливості рамного кріплення, а також факторів, що визначають стабільність цих параметрів в процесі експлуатації, визначена їх значимість та досліджені можливості реалізації. Висновки відносно раціональної форми перерізу кріплення підтверджені розрахунками, з яких слідує, що головним моментом є коефіцієнт форми, який представлений співвідношенням висоти перерізу до ширини уздовж підошви, ефективні значення якого знаходяться в інтервалі 0,74-0,82. При цьому раціональною формою перерізу є овоїд. Це дозволяє без суттєвого збільшення ваги комплекту підвищити несучу здатність критичного елементу конструкції верхняка у 2-3 рази і відповідно збільшити робочий опір до рівня 320-400 кН. Розрахунками показано, що як рівень робочого опору вузлів піддатливості, так і стабільність значень залежать від величини діючого згинаючого моменту, звідкіля безпосередньо витікає потреба у розміщенні вузлів піддатливості на дільницях периметра з мінімальними значеннями моменту.

Докладно проаналізована значимість інших факторів: прокатного профілю, матеріалу кріплення, між рамного зв'язку, а також технологічних особливостей виготовлення кріплення на вітчизняних та закордонних підприємствах. Показано, що тільки одночасне урахування всіх проаналізованих факторів або більшості з них може забезпечити максимальний ефект. При теперішніх обставинах можливі компромісні рішення, а другорядні фактори (нові прокатні профілі, низьколеговані сталі, замкові з'єднання і т.п.) є на сьогодні резервами подальшої модернізації нових конструкцій, в яких ураховані основні фактори - форма перерізу та розміщення головних вузлів піддатливості. Наводиться окремий приклад реалізації компромісної пропозиції з модернізації серійного замкового з'єднання та результат стендових випробувань.

Розділ 4. Розробка та оптимізація конструкції нового рамного кріплення. У четвертому розділі представлені результати практичної реалізації технічних рішень, що отримані в процесі стендових та виробничих випробувань нового рамного кріплення, яке розроблене на основі запропонованих автором технічних рішень. Аналіз результатів проведених випробувань виконаний на основі комплексного критерію, який відображає ступінь одночасного урахування в конкретній конструкції дванадцяти впливаючих факторів, що наведені в таблиці 1.

Стендові та виробничі випробування проводились за стандартними галузевими методиками (ДонВУГІ).

Випробування дозволили встановити наступне:. Встановлено, що традиційні для вітчизняної практики конструкції (КМП-А3, КМП-А5, КМП-А3УД) не відповідають ні одному із пунктів.

Краще закордонне кріплення (ТН) відповідає 10 пунктам критерій так, як і запропоновані перспективні конструкції (КМП-А4Р2). Експериментальне (КМП-А3КР1 і КМП-А4КР1), а також дослідне (КМП-А5С) відповідають відповідно 5 та 7 пунктам.

Стендові та виробничі випробування кріплення КС-4 та КМП-А5С показали їх високу працездатність та ефективність. Так працездатність кріплення КС-4 з даних стендових випробувань перевищила працездатність звичайної трьох ланкової циркулярної арки типу КМП-А3 у 3,7 рази (критерій працездатності А_к (U)). В процесі випробувань на шахтах “Південнодонбаська №3” ВО Донецьквугілля та ім. О.Ф. Засядько отриманий досить високий виробничий ефект, який базується на виключенні необхідності у перекріпленні виробок. При цьому відмічено як загальне зниження вертикальної конвергенції за рахунок зменшення зміщення покрівлі: на шахті “Південнодонбаська №3” в 2,8 рази (з 1280 мм до 490 мм) та на шахті ім. О.Ф. Засядько у 2 рази (з 2550 мм до 1180 мм) Рис.3.

В той же час здимання підошви та зміщення боків виробки зменшились несуттєво і залишились приблизно на тому ж рівні, що і при звичайному кріпленні. Пошкодження елементів конструкцій до моменту стабілізації зміщень (50-а та 120-а доба спостережень відповідно) були дуже незначні і обмежувались 3-8% в місцях геологічних порушень. В той же час на дільницях з звичайним кріпленням відмічено багато відказів та руйнування конструкцій, що стало головною причиною вимушеного їх перекріплення. Оскільки в обох випадках всі інші умови (матеріал кріплення, густина розміщення, замкові з'єднання і т.п.) були однакові, отриманий результат слід віднести цілком на рахунок більш високої якості нових конструкцій та підвищених значень параметрів робочої характеристики.

На основі отриманих результатів на шахті ім. О.Ф. Засядько виконана приблизна економічна оцінка результатів застосування нових рамних конструкцій, які розглядаються як необхідна технічна умова забезпечення стійкості гірничих виробок, що проводяться та підтримуються в тяжких геомеханічних умовах. Показано, що головними факторами, які утворюють економічний ефект, є виключення необхідності перекріплення виробок та можливість зменшення густини розміщення рам кріплення. Для шахти ім. О.Ф. Засядько з дуже тяжкими умовами підтримання виробок на пласті m₃ в результаті застосування біля 30,0 тисяч комплектів нового кріплення економічний ефект склав більше 32,0 млн. грн. або, в середньому, біля 8,0 млн. грн. на рік. Це свідчить про те, що практично будь-які витрати, які пов'язані з деяким збільшенням вартості комплекту або використанням додаткових заходів (тампонаж закріпленого простору, додаткове анкерування покрівлі і т.д.), економічно виправдані та компенсуються за відносно короткий час. У легких та проміжних умовах прямий економічний ефект утворюється на основі зниження металоємності 1 пог. метра кріплення виробки, т.т. зменшення густини розміщення кріплення. Можливий економічний ефект в масштабі галузі в умовах повного охоплення області застосування складе не менше 2,0 тис.грн. на 1 пог. м.

деформація приконтурний опір кріплення

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій розроблені принципові науково-технічні обґрунтування рішень, що використовуються при створенні нового рамного кріплення підготовчих виробок, які приводяться та підтримуються в тяжких геомеханічних умовах глибоких шахт.

Основні наукові та практичні результати роботи містяться в наступному.

Аналіз результатів обстеження стану 46 підготовчих виробок шахт з найбільш тяжкими геомеханічними умовами підтримання дозволив встановити особливості деформацій при контурної частини вміщую чого масиву та констатувати якісні зміни виникаючої в цих умовах нової схеми навантаження рамних конструкцій, яка принципово відрізняється від традиційної.

Встановлено, що застосована в нових умовах конструкція (циркулярна двохшарнірна арка), не відповідає умовам застосування по-перше за своїми силовими та деформаційними характеристиками та через їх недостатність є головною причиною багатьох відказів кріплення і пере кріплення виробки ще до початку впливу очисних робіт.

В розвиток рішення аналітичної задачі граничної рівноваги вперше обґрунтована фізична сутність функції знеміцнення граничної зони та її вид, який є відображенням поза граничності вітки міцнісної характеристики вміщуючи порід, і на цій основі визначені інтервали необхідних значень робочого опору від 50-60 кН/м² до 200-250 кН/м², а також конструктивної піддатливості від 500-600 мм до 1000 мм; показано, що зі збільшенням глибини розробки інтервали значень розширяються.

В результаті виконання лабораторних досліджень при складному напруженому стані зразків шаруватих порід визначені умови руйнування біля круглого отвору та встановлена стійка форма перерізу виробки, яка уявляє собою еліпс з співвідношенням півосей в межах 1,5-1,6.

На основі комплексного аналізу відомих дослідних та серійних конструкцій рамного кріплення в умовах нової схеми навантаження встановлені фактори, які забезпечують необхідні значення параметрів робочої характеристики та їх стабільність на всьому інтервалі конструктивної піддатливості, важливішими з них є форма поперечного перерізу, місця розміщення вузлів піддатливості та тип замкових з'єднань; допоміжними - тип спец профілю, властивості матеріалу, якість між рамних зв'язків, а також спеціальні компоновочні заходи.

Запропонований ряд технічних рішень, які враховують отримані в процесі досліджень результати, а також мають місце обмеження технологічного та вартісного характеру; обґрунтована оптимальна форма поперечного перерізу у вигляді максимально приближеного до пів еліпсу з утворюючими радіусами, які визначають співвідношення висоти перерізу до ширини уздовж підошви в інтервалі 0,74-0,82; також обґрунтовано розміщення вузлів піддатливості на дільницях периметра перерізу з включенням точки нульового згинаючого моменту.

Запропоновані технічні рішення використання при конструкторській розробці експериментальних та дослідних моделей нового кріплення типу КС-4, КМП-А3Р1, КМП-А4Р1, КМП-А3Р2, КМП-А4Р2, які пройшли перевірку при стендових випробуваннях та у виробничих умовах; результати перевірок підтвердили правильність запропонованих технічних рішень та можливість отримання дуже значного економічного ефекту, перше за все, за рахунок виключення необхідності пере кріплення в особливо тяжких умовах (шахта ім. О.Ф. Засядько), а також за рахунок зниження металоємності 1 пог. метра (до 40%) в більш легких умовах застосування (шахта “Новодонецька” ДХК Добропіллявугілля).

Список опублікованих праць по темі дисертації

Питаленко Е.И., Алышев Н.А., Житленок Д.М., Настуев Ю.Н. Вопросы управления состоянием горного массива в окрестности подготовительных выработок // Физико-технические проблемы горного производства. - Донецк: - 1999. - №2. - С.83-85.

Алексеев А.Д., Недодаев Н.В., Ревва В.Н., Борисенко Э.В., Настуев Ю.М. Исследования разрушения угля и слабых аргиллитов в образцах с полостями применительно к горным выработкам и скважинам // “Проблемы горного производства” - Донецк: Спектр. - 1999. - №3. - С.5-12.

Алексеев А.Д., Ревва В.Н., Поштук А.З., Настуев Ю.М. Влияние неравнокомпонентного объемного сжатия на разрушение горных пород // Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій - Львів: Каменяр.-1999. - Вып.2. - том 3. - С.193-196.

Настуев Ю.М., Шипачев В.К. Некоторые проблемы разработки рамных крепей подготовительных выработок глубокого заложения // Уголь Украины. - 2001. - №5. - С..19-21.

Настуев Ю.М., Сугаренко Г.Г. Возможности снижения металлоемкости крепления подготовительных выработок // Физико-технические проблемы горного производства. - Донецк: - 2001. - №3. - С.96-101.

Алексеев А.Д., Недодаев Н.В., Ревва В.Н., Настуев Ю.М. Деформирование и разрушение хрупкой среды вблизи полости круглого сечения при неравномерном объемном сжатии // Сборник научн. трудов IX межд. научной школы “Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках” - Симферополь, 1999. - С. 3-7.

Алексеев А.Д., Настуев Ю.М., Пивень Ю.А., Тернюк Ю.М. Повышение устойчивости пластовых выработок при активном управлении состоянием горного массива // Сборник научных трудов ХI межд. научной школы “Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках” - Симферополь, -2001. С.5-6.

Особистий внесок автора в роботи, опубліковані в співавторстві

полягає в наступному: у постановці задачі, виборі об'єктів спостережень, аналізі їхніх результатів 1; у постановці задачі, методики експериментів, їх розробці і виконанні, а також аналізі результатів 2,3,6; аналізі конструкцій рамного кріплення і розробці пропозицій по їх удосконаленню 14,6; аналізі способів підвищення усталеності пластових виробок 7.

Здобувач Ю.М. Настуєв

АНОТАЦІЯ

НАСТУЄВ Ю.М. Обґрунтування конструктивних та технологічних параметрів нових видів рамного кріплення гірничих виробок. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.02 - підземна розробка родовищ корисних копалин. - Відділення фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАН України, Донецьк, 2001.

Дисертаційна робота містить нове комплексне рішення актуальної наукової та практичної задачі обґрунтування конструктивних та технологічних параметрів нових видів піддатливого рамного кріплення гірничих виробок, які проводяться та підтримуються в тяжких геомеханічних умовах глибоких шахт.

Отримані дані про специфічні умови формування та особливості деформування гірничого масиву біля контуру гірничої виробки, встановлений їх зв'язок з виникаючою схемою навантаження рамної конструкції.

В розвиток відомої аналітичної задачі обґрунтований вид функції знеміцнення матеріалу граничної зони та визначені значення ефективного інтервалу варіювання необхідної величини робочого опору та конструктивної піддатливості нового кріплення. Розрахункові значення порівняні з результатами спеціальних шахтних експериментів та показали хороше збігання.

На основі проведених лабораторних експериментів з деформування та руйнування крихкого середовища біля порожнини круглого перерізу при нерівно компонентному об'ємному стисненні визначена раціональна форма виробки та кріплення.

Проаналізований вплив складових рамного кріплення, замкових з'єднань, між рамних зв'язків, матеріалу, типу спец профілю, як факторів, що забезпечують досягнення наданих параметрів робочої характеристики та їх стабільності.

Запропоновані конструктивні та технологічні рішення, які реалізовані в експериментальних та дослідних моделях, проаналізовані за даними стендових та виробничих випробувань, що підтвердили їх ефективність.

Економічний ефект в масштабах галузі з охопленням області застосування визначений приблизним розрахунком в сумі не менше 200 млн. грн. на рік.

Ключові слова: вугільна шахта, рамне кріплення, геомеханічні процеси, технологія, гранична зона, параметри кріплення.

АННОТАЦИЯ

Настуев Ю.М. Обоснование конструктивных и технологических параметров новых видов рамных крепей горных выработок. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.15.02 - “Подземная разработка месторождений полезных ископаемых. - Отделение физико-технических горных проблем ДонФТИ им. А.А. Галкина НАН Украины, Донецк 2001г.

Диссертационная работа содержит новое комплексное решение актуальной научной и практической задачи обоснования конструктивных и технологических параметров новых видов податливых рамных крепей горных выработок, проводимых и поддерживаемых в тяжелых геомеханических условиях глубоких шахт.

В результате анализа условий проведения и поддержания подготовительных выработок на глубоких шахтах выявлены общие тенденции развития технических средств их крепления и приняты оценочные критерии: критерий устойчивости, критерий работоспособности и критерий оптимальной конструкции. С учетом указанных критериев выполнено обследование состояния подготовительных выработок действующих глубоких шахт Донецкого бассейна.

Получены данные о специфических условиях формирования горного массива вблизи контура горной выработки, установлена их связь с возникающей схемой нагружения рамной конструкции.

В развитие известной аналитической задачи обоснован вид функции разупрочнения материала предельной зоны и определены значения эффективного интервала варьирования требуемой величины рабочего сопротивления и конструктивной податливости новых крепей. Расчетные значения сопоставлены с результатами шахтных экспериментов и показали хорошую стоимость.

На основе проведенных лабораторных экспериментов по деформированию и разрушению хрупкой среды вблизи полости круглого сечения при не равнокомпонентном объемном сжатии, определена рациональная геометрическая форма сечения выработки и крепи.

Проанализируем влияние составляющих рамной конструкции, замковых соединений, меж рамных связей материала, типа спец профиля, как факторов, обеспечивающих достижение заданных параметров рабочей характеристики и их стабильности.

Предложенные конструктивные и технологические решения, реализованные в экспериментальных и опытных моделях, проанализированы по данным стендовых и производственных испытании, подтвердивших их эффективность.

Так в процессе испытаний на шахтах “Южнодонбасская №3” и им. А.Ф. Засядько применение новых видов крепей исключило необходимость пере крепления выработок. При этом отмечено снижение смещений кровли в 2,0-2,8 раза. повреждения элементов конструкций были незначительные (3-8 %), и были приурочены к местам геологических нарушений. Вместе с тем на участках с обычной крепью отмечены массовые отказы и разрушения конструкций, что явилось главной причиной пере крепления. Поскольку материал, плотность установки, замковые соединения и т.п. были одинаковы, полученный результат относится к более высокому качеству новых конструкций и повышенному значению параметров рабочей характеристики.

Экономический эффект в масштабах отрасли с охватом области применения определен укрупненным расчетом в сумме не менее 200 млн.

Ключевые слова: угольная шахта, рамные крепи, геомеханические процессы, технология, предельная зона, параметры крепи.

SUMMARI

Nastuyev Yu.M. Substantio of design and process parameters for new types of mine freme, - Ttimberling.

Annotation of thesis for degree of candidate of engineering sciences Speciality 05.15.02 `Underground Mining' Division for Physical and Technical Problems of Mining A.A. Galkin Donetsk Phis. Tech. Institute Fuel and Power Ministry of Ukraine, Donetsk, 2001.

Thesis includes a new complex solution of the urgent research and development problem of substantiation of design and process parameters for new types of mine pliant frame timbering for under ground workings being developed and supported in severe geomechanical environments of deep mines.

Data had been collected on specific formation conditions and deformation features of rock mass near working's contour and interdependence has been derived between these data and resulting loading pattern of the frame timbering.

Proposed design and process solutions implemented in experimental and test models have been analysed using stand and field trials data which have confirmed their effectiveness.

Key words: coal mine, frame timbering, geomechanical processes, extremum zone, timbering parameters.

Размещено на Allbest.ru

...