Обґрунтування параметрів рамного кріплення капітальних і підготовчих виробок вугільних шахт на основі імовірносно-статистичних моделей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національна гірнича академія України

УДК 622.131.537

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ РАМНОГО КРІПЛЕННЯ КАПІТАЛЬНИХ І ПІДГОТОВЧИХ ВИРОБОК ВУГІЛЬНИХ ШАХТ НА ОСНОВІ ІМОВІРНОСНО-СТАТИСТИЧНИХ МОДЕЛЕЙ

Спеціальність 05.15.04 - “Шахтне та підземне будівництво”

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

СКОБЕНКО Олександр Васильович

Дніпропетровськ-2001

АНОТАЦІЯ

Скобенко О.В. Обґрунтування параметрів рамного кріплення капітальних і підготовчих виробок вугільних шахт на основі імовірносно-статистичних моделей. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.04. - “Шахтне і підземне будівництво”. Національна гірнича академія України Міністерства освіти і науки України, Дніпропетровськ, 2001.

У дисертації виконані дослідження стійкості підготовчих виробок вугільних шахт ДХК “Добропіллявугілля”. Зібраний й оброблений статистичний матеріал по 17 виробках. Розроблена досить проста методика визначення на стадії проектування виробки статистичних характеристик її коефіцієнта стійкості в залежності від міцності порід, які вона перетинає, і способу її проведення.

На основі аналітичних досліджень застосовності різних законів розподілу випадкових величин для опису імовірносного коефіцієнта стійкості виробки встановлено, що найбільш адекватним у цьому випадку є розподіл Вейбулла. Доведено, що стійкість протяжних виробок є функцією імовірносного показника стійкості і параметра форми розподілу Вейбулла, що дозволяє в залежності від призначення виробки для заданих гірничо-геологічних умов визначити тип і параметри кріплення, а також прогнозувати обсяги ремонтних робіт. Також установлено, що співвідношення капітальних і експлуатаційних витрат, при яких сумарна вартість спорудження і підтримки виробки буде мінімальної, є нелінійною функцією варіації коефіцієнта стійкості і показника стійкості, що дозволяє при встановлених параметрах кріплення оцінити вартість ремонтних робіт і вибрати технологію їх виконання.

На базі встановлених залежностей розроблена інженерна методика визначення статистичних характеристик коефіцієнту стійкості протяжних гірничих виробок і оцінки вартісних параметрів ремонтних робіт та вибором технології їх виконання.

Результати досліджень опубліковано в шістьох наукових статтях.

Ключові слова: підготовча виробка, імовірносний коефіцієнт стійкості, вигинаючий момент, вектор прикладання зосередженої сили, вартісні параметри проведення і підтримки.

АННОТАЦИЯ

Скобенко А.В. Обоснование параметров рамной крепи капитальных и подготовительных выработок угольных шахт на основе вероятностно-статистических моделей. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.15.04. - “Шахтное и подземное строительство”. Национальная горная академия Украины Министерства науки и образования Украины, Днепропетровск, 2001.

Выполненный анализ литературных источников по проблеме устойчивости подземных сооружений показал, что прогрессивным направлением является рассмотрение протяженных выработок в физически неоднородном породном массиве как стохастических систем, поведение которых исследуется на основе вероятностных моделей.

С целью установления статистических характеристик коэффициента устойчивости протяженной выработки в диссертации произведено моделирование характера изменения изгибающих моментов арки металлической податливой крепи из спецпрофиля СВП и сравнение результатов лабораторных исследований с данными аналитической обработки экспериментальных замеров изменения кривизны металлических арок податливой крепи по мере их нагружения в зонах влияния очистных работ в 17 протяженных подготовительных выработках угольных шахт ГХК “Добропольеуголь”. Установлено, что вариации изменения кривизны арок крепи выработки и максимальных изгибающих моментов, получаемые из обработки экспериментальных данных, равны вариации коэффициента ее устойчивости.

На этой основе разработана достаточно простая методика определения на стадии проектирования выработки статистических характеристик ее коэффициента устойчивости в зависимости от крепости пересекаемых пород и способа проведения.

На основе аналитических исследований применимости различных законов распределения случайных величин для описания вероятностного коэффициента устойчивости выработки установлено, что наиболее адекватным в этом случае является известное в механике распределение Вейбулла, как описывающее механизм отказа какой либо механической системы. Доказано, что устойчивость протяженных выработок является функцией ее вероятностного показателя устойчивости и параметра формы распределения Вейбулла, что позволяет в зависимости от назначения выработки для заданных горно-геологических и горнотехнических условий определить тип и параметры крепи, а также прогнозировать объемы ремонтных работ. Также установлено, что соотношение капитальных и эксплуатационных затрат, при которых суммарная стоимость сооружения и поддержания выработки будет минимальной, является нелинейной функцией вариации коэффициента устойчивости и показателя устойчивости, что позволяет при установленных проектом параметрах крепи оценивать стоимость ремонтных работ, с учетом затрат на новую, заменяемую на вышедшую из строя, крепь, а также выбирать технологию их выполнения.

Установленные зависимости легли в основу разработанной инженерной методики определения параметров крепи подготовительных горных выработок и оценки стоимостных параметров ремонтных работ с выбором технологии их выполнения, которая утверждена институтом “Днепрогипрошахт” и апробирована на проходческих участках ГОАО шахты “Алмазная” ГХК “Добропольеуголь”.

Результаты исследований опубликованы в шести научных статьях.

Ключевые слова: подготовительная выработка, вероятностный коэффициент устойчивости, изгибающий момент, вектор приложения сосредоточенной силы, стоимостные параметры проведения и поддержания.

THE SUMMARY

Skobenko A.V. The substantiation of parameters in a frame support of capital and development workings of coal mines on the basis of probability-statistical models. - Manuscript.

The dissertation on obtaining a scientific degree of the candidate of engineering science in speciality 05.15.04. - "Mine and Underground Construction". National Mining University of Ukraine of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Dnipropetrovsk, 2001.

In the dissertation the researches of stability of development workings of coal mines SHC "Dobropoliyeugol" have been executed. The statistical material on 17 mine workings has been gathered and processed. Rather simple technique of defining statistical characteristics of mine working stability coefficient depending on fortress of crossed soils and way of realization at a stage of designing a mine working has been developed.

On the basis of analytical researches of applicability of various laws of distribution of casual sizes for the description probability coefficient of mine working stability is established. It has been proved that most adequate in this case is the Veybull Formulae distribution. It's proved that the stability of extended mine workings is the function of probability index of stability and the index of Veybull formula distribution that allows depending on purpose of a mine working to determine a type and parameters of a support, and also to predict volumes of repair work under given geological conditions. It's also established that the ratio of capital and operational expenses, at which the total cost of a structure and maintaining a mine working will be minimal, is a nonlinear function of stability factor variation and parameter of stability, which will allow to estimate cost of repair work and to choose technology of their performance at the established parameters of a support.

The established dependences became a basis of the developed engineering technique of defining the design data of a mine working support and estimation of cost parameters of repair work with a choice of technology of their performance.

The results of researches are published in six scientific articles.

Key words: mine working, probability factor of stability, bending moment, vector of the appendix of the concentrated force, cost parameters of realization and maintenance.

1. Загальна ХАРАКТЕРИСТИКА роботи

Актуальність теми. Згідно зі статистичними прогнозами найближчими роками при збереженні існуючих темпів видобутку вугілля, очисні роботи більшості шахт Донбасу будуть сягати глибин 1100…1300 м. Зі збільшенням глибини розробки родовищ, починаючи з 600…800 м, різко знижується стійкість протяжних виробок, що пов'язано з ускладненням гірничо-геологічних умов їх проведення та експлуатації. Просліджується тенденція щорічного збільшення на 2…3 % довжини виробок, які вимагають ремонту.

Інженерні рішення при проектуванні підготовчих виробок, що виконуються за класичними методиками, в наслідок високої ідеалізації вміщуючого порідного масиву у більшості випадків не відповідають реальним гірничо-геологічним умовам їх експлуатації. При детермінованому підході практично завжди однозначному теоретичному результату розрахунку в реальних умовах відповідає спектр значень, який значно коливається навколо прогнозованої величини. В свою чергу це призводить або до істотного завищення несучої здатності і вартості кріплення в період будівництва, або до додаткових витрат на ремонт гірничих виробок при їх експлуатації.

При проектуванні виробок і плануванні ремонтно-відновних робіт виникає необхідність у використанні розрахункових методик, заснованих на більш складних імовірносних моделях, які дозволяли б більшою мірою враховувати випадковий вплив на стійкість виробок різноманітних гірничо-геологічних і гірничотехнічних факторів.

У цьому зв'язку розробка на основі ймовірносних моделей методики оптимального проектування підземних гірничих виробок і планування ремонтно-відновних робіт з метою забезпечення їх стійкості протягом усього періоду експлуатації, обґрунтування параметрів кріплення і найменш дешевих, але досить ефективних, способів підтримки виробок у стійкому стані, є актуальною задачею, що має важливе наукове і практичне значення, рішенню якої і присвячена дисертація.

Робота виконана відповідно до програми науково-дослідних робіт Національної гірничої академії України з держбютжетної теми ГП-233 “Встановлення закономірностей проявів гірського тиску в підготовчих виробках вугільних шахт, що знаходяться в зоні впливу очисних робіт”, № держ. реєстрації 0198U005339.

Ціль досліджень полягає в обґрунтуванні і розробці на основі імовірносно-статистичних моделей методики оптимального проектування і визначення параметрів кріплення протяжних гірничих виробок з урахуванням витрат на їх підтримку в умовах випадкового впливу геомеханічних факторів.

Основна ідея роботи полягає в урахуванні статистичної неоднорідності порідного середовища, що вміщує протяжні виробки, і використанні системного імовірносного підходу до визначення їх стійкого стану.

Об'єктом досліджень є стійкість протяжної виробки вугільної шахти, яка проведена у неоднорідному порідному середовищі.

Предметом досліджень є імовірносний характер розподілу коефіцієнту стійкості за довжиною протяжної виробки.

Основні задачі досліджень:

вибір об'єктів досліджень;

узагальнення результатів шахтних спостережень за процесами деформування вміщуючого порідного масиву і зміни кривизни рамного аркового кріплення підготовчих виробок;

обґрунтування імовірносно-статистичних моделей для встановлення залежності коефіцієнта стійкості протяжної виробки від гірничо-геологічних і гірничотехнічних факторів, що впливають на її стан;

на основі порівняльного аналізу імовірносних законів встановлення найбільш адекватного для розподілу коефіцієнта стійкості протяжної виробки;

розробка інженерної методики визначення статистичних характеристик коефіцієнту стійкості протяжних гірничих виробок для оптимізації параметрів кріплення і обґрунтування способів їх підтримки в безремонтному стані, засновану на інструментальних спостереженнях за протіканням геомеханічних процесів у натурних умовах;

розробка методики кількісної оцінки і прогнозування стійкості протяжних гірничих виробок в умовах випадкового впливу гірничо-геологічних факторів з урахуванням оптимізації витрат на проведення і поточні ремонти металевого аркового кріплення в період експлуатації;

на основі розроблених методик розробка рекомендацій з вибору і корегування параметрів кріплення, яке відповідає гірничо-геологічним умовам його застосування.

Методи досліджень: поставлена в дисертаційній роботі ціль досягнута шляхом застосування методів комплексного аналізу й узагальнення літературних джерел і досвіду з досліджень стійкості гірничих виробок, аналітичних, лабораторних і натурних досліджень із залученням теорії ймовірностей, методів будівельної механіки, теорії подібності і розмірностей, фізики і статистики, механіки суцільного середовища.

Основні наукові положення, що захищаються в дисертації:

Стійкість протяжних виробок, яка оцінюється математичним чеканням коефіцієнта стійкості, віднесеним до його граничної величини, нелінійно залежить від показника стійкості і параметра форми розподілу Вейбулла, що дозволяє в залежності від призначення виробки для заданих гірничо-геологічних умов визначити тип і параметри кріплення, а також прогнозувати обсяги ремонтних робіт.

Співвідношення капітальних і експлуатаційних витрат, при яких сумарна вартість спорудження і підтримки виробки буде мінімальною, є функцією варіації коефіцієнта стійкості і показника стійкості, що дозволяє при встановлених параметрах кріплення оцінити вартість ремонтних робіт і вибрати технологію їх виконання.

Наукова новизна отриманих результатів досліджень полягає в тому, що:

вперше обґрунтована доцільність використання закону розподілу Вейбулла при аналізі стійкості протяжної виробки, що дозволило розробити імовірносну модель за достатнього ступеня адекватну дійсності;

для умов виробок шахт ДХК “Добропіллявугілля” доведена можливість визначення за результатами натурних вимірів варіації коефіцієнта стійкості, як функції міцності порід, що перетинаються виробкою, і способу її проведення, що дозволило вирішити задачу прогнозування стійкості виробки в замкнутому вигляді;

вперше отримані залежності, що дозволяють виконувати проектування виробок з урахуванням експлуатаційних витрат, за умови мінімізації витрат на їх проведення і підтримку.

Наукове значення роботи полягає в розкритті, на основі імовірносних оцінок, закономірностей й функціональних зв'язків між натурними вимірами динаміки деформування окремих арок кріплення підготовчої виробки і її стійкістю за всією довжиною, що дає можливість керувати витратами на її підтримку в експлуатаційному стані.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці методики визначення статистичних характеристик коефіцієнту стійкості протяжних гірничих виробок для оптимізації параметрів кріплення і обґрунтування способів їх підтримки в безремонтному стані, яка заснована на інструментальних спостереженнях за протіканням геомеханічних процесів у натурних умовах, а також методики кількісної оцінки і прогнозування стійкості протяжних гірничих виробок в умовах випадкового впливу геомеханічних факторів з урахуванням оптимізації витрат на їх проведення і поточні ремонти металевого аркового кріплення в період експлуатації.

Реалізація роботи. Методика кількісної оцінки і прогнозування стійкості протяжних гірничих виробок в умовах випадкового впливу гірничо-геологічних і гірничотехнічних факторів з урахуванням оптимізації витрат на їх проведення і поточні ремонти металевого аркового кріплення в період експлуатації затверджена державним проектним інститутом “Дніпродіпрошахт” і реалізована на двох прохідницьких дільницях шахти “Алмазна” ДХК “Добропіллявугілля”.

Особистий внесок автора полягає у визначенні ідеї розгляду неоднорідного порідного масиву, який містить виробку, як складної стохастичної системи, постановці задач і обранні методів досліджень щодо стійкості підготовчої виробки, чіткому послідовному формулюванні наукових положень з отриманих аналітичних і експериментальних достовірних результатів, наданні практичних рекомендацій щодо вибору і корегування параметрів кріплення, які відповідають геомеханічним умовам його застосування.

Апробація результатів досліджень Основні положення дисертаційної роботи повідомлені, обговорені і схвалені на засіданнях науково-технічних рад ГХК ”Добропіллявугілля” і ДВАТ шахти “Алмазна” у 2000 році, на засіданнях кафедри будівництва шахт і підземних споруд НГА України (1997, 1998, 1999, 2000 р.), а також на галузевій науково-технічній конференції “Прогресивні рішення з кріплення і підтримки виробок” (м. Павлоград, 1995 р.) і міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми і перспективи освоєння підземного простору великих міст” (м. Дніпропетровськ, 1996 р.).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 6 наукових працях, з яких 4 у фахових виданнях, 2 у матеріалах науково-технічних конференцій.

2. Основний зміст роботи

Виконаний аналіз літературних джерел з проблеми стійкості підземних споруджень показав, що прогресивним напрямком у фундаментальних роботах І.В. Баклашова, М.А. Долгіх, В.В. Матвієнко, Л.Я .Парчевського, К.В. Руппенейта, О.М. Шашенка, В.І. Шейніна, Г.В. Бабіюка, Л.В. Новікової, О.О. Сдвижкової та ін. є розгляд протяжних виробок, розташованих у фізично неоднорідному порідному масиві, як стохастичних систем, поводження яких досліджується на основі імовірносних моделей. У дисертації цей підхід прийнятий у якості основного. Математичним апаратом для вивчення подібних стохастичних моделей є теорія випадкових функцій, підкріплена методами статистичних досліджень.

Стійкість виробки в довільно обраному перетині S оцінюється коефіцієнтом стійкості, що має наступний вигляд

, (1)

де q_гр(S) - несуча здатність кріплення, яка для тонкостінних конструкцій оцінюється за формулою:

, (2)

де R_T - поріг текучості (міцності) матеріала кріплення; W - момент опіру поперечного перетину кріплення; R₀ - напівпроліт виробки; f (₀, K_p, , _max) - безрозмірна функція, яка враховує співвідношення бокового і вертикального навантажень ₀, кут прикладення результуючого вектора зовнішнього навантаження , конструктивні особливості кріплення К_Р, величину кута, при якому визначено максимальне значення вигинаючого моменту _max ; q(S) - діюче навантаження в цьому ж перетині, величина якого залежить в цілому від показника умов розробки:

; (3)

R_C - поріг міцності порід на одновісне стиснення; k_C - коефіцієнт структурового послаблення порідного масива; k_В - коефіцієнт зниження міцності порід внаслідок змінення природної вологості; - об'ємна вага вміщуючих порід; Н - глибина розробки.

Параметри R_с, K_c, K_в у (3) випадкові в силу природи порідного середовища; величини ₀, , _max у (2) також випадкові внаслідок неоднорідностей забутовки і порідного контуру, дефектів кріплення і т.п.

Таким чином, кожна реалізація коефіцієнта стійкості (1) у перетині S_i являє собою випадкову величину, що за довжиною виробки утворює випадкову функцію К_ст(S). Велике значення при дослідженні цієї функції має питання стосовно її стаціонарності і ергодичності. Для оцінки структури розглянутої стохастичної моделі були виконані лабораторні і натурні експерименти.

Метою лабораторних досліджень була розробка досить простої методики визначення статистичних характеристик коефіцієнта стійкості, що були виконані щодо найбільш розповсюдженого металевого аркового піддатливого кріплення.

Дослідження показують, що навантаження на кожну арку формується індивідуально і випадково. У результаті геометричних побудов можна отримати результуючий вектор зовнішніх сил, що буде спрямований під кутом до вертикальної осі. Внаслідок причин імовірносного характеру величина кута буде випадковою в кожному перетині. Якщо замість розподілених за контуром арки навантажень прикласти під кутом деяку еквівалентну силу, то характер епюр вигинаючих моментів за двома варіантами, як показують дослідження.

У дисертації наведені логічні побудови, відповідно до яких випадкова величина кута за центральною граничною теоремою повинна бути розподілена за законом, близьким до нормального. Відповідно до цього на стенді для моделювання процесу деформування металевого аркового піддатливого кріплення було виконано 4 серії експериментів з 13 варіантами навантаження в кожній.

Дослідженнями встановлено, що з похибкою, яка не перевищує 5…7%, у реальних умовах виробки можна обмежитись набором статистики зміни кривизни при =0^о і =180^о. При цьому коефіцієнти варіації максимального вигинаючого моменту, мінімального коефіцієнта стійкості і зміни показників індикаторів (кривизни) дорівнюють варіації коефіцієнта стійкості виробки.

Дійсна величина варіації коефіцієнта стійкості визначалася в 17 виробках шахти “Алмазна” ДХК “Добропіллявугілля”. Виробки проведені комбайновим і буро-вибуховим способами в породах різної міцності.

Виконані дослідження дозволили встановити, що за короткий відрізок часу, який дорівнює, приблизно, 10 добам, процес формування навантаження носить нестаціонарний характер, надалі цей процес є стаціонарним і для його опису підходить детально розроблена теорія стаціонарних випадкових функцій.

ідповідно до прийнятої імовірносної моделі (рис.1) витікає, що довільно обраний перетин виробки може знаходитися в двох станах - стійкому (4) і нестійкому (5):

; (4)

. (5)

Якщо в цих формулах відома функція щільності розподілу випадкової величини, то задача практично вирішена. В її основі лежить рішення так званої задачі про “викиди” випадкової функції за заданий рівень, за який в нашому випадку прийняте граничне значення коефіцієнта стійкості, обумовлене ступенем капітальності виробки (нормативної величини).

Дослідження відомих законів розподілу показали, що для вивчення стійкості виробок найбільш придатним є розподіл Вейбулла - розподіл інтенсивності відмовлень у механіці. Це аргументовано наступними фактами: область зміни розподіленої за вищевказаним законом випадкової величини знаходиться в межах 0…+, що абсолютно відповідає суті коефіцієнта стійкості виробки К_гр; закон розподілу Вейбулла описує широкий спектр емпіричних з коефіцієнтами варіації 0…100%. Залежно від значення параметра форми , прийнятий розподіл може приймати різні форми, у т.ч. і дуже близькі до нормального.

Інтегральна функція розподілу Вейбулла має вигляд:

(6)

Підстановка її в (5) призводить до простої формули для визначення показника стійкості :

. (7)

З аналітичних досліджень отриманий вираз (8) для відношення математичного очікування коефіцієнта стійкості m_К до його граничного значення К_гр, при якому забезпечується стійкість виробки з заданим показником n, який є аналогічним виразу, отриманому в дослідженнях професором Шашенком О.М. при використанні нормального закону розподілу (9):

 (8)

, (9)

На рис.5 наведені графічні інтерпретації формул (8), (9), на основі яких можна порівняти залежності, отримані при двох різних законах розподілу.

Аналіз показав, що застосування закону Вейбулла дозволяє одержати залежності, позбавлені недоліків застосування нормального закону, особливо при значенні = 0,5 за яким функція розподілу нормального закону має особливості математичного характеру.

Із зроблених розрахунків з двох груп формул витікає, що похибка, що одержана при застосуванні нормального закону розподілу, може бути істотною і перевищувати 50%. Викладені вище дослідження дозволили зробити наступне твердження: стійкість протяжних виробок, що оцінюється математичним очікуванням коефіцієнта стійкості, віднесеним до його граничної величини, є функцією показника стійкості і параметра форми розподілу Вейбулла, що дозволяє в залежності від призначення виробки для заданих гірничо-геологічних умов визначити тип і параметри кріплення, а також прогнозувати обсяги ремонтних робіт.

Стійкість гірничої виробки за умов великого обсягу взаємовпливаючих випадкових факторів може бути забезпечена двома шляхами:

установкою кріплення з високою несучою здатністю, у конструкції якої враховані самі несприятливі умови її навантаження з виконанням заходів, спрямованих на зміцнення приконтурного масиву і поліпшення умов контактування кріплення з породним контуром;

установкою кріплення меншої вартості з більш низькою несучою здатністю для того, щоб у подальшому окремі ділянки виробки, які втратили стійкість, піддавалися ремонту і посиленню.

Оптимально буде запроектована така виробка, сумарні витрати на спорудження і підтримку якої будуть мінімальні.

У першому випадку виробка знаходиться в безремонтному стані, у другому на окремих ділянках S_t коефіцієнт стійкості менше граничного його значення К_гр' і буде потрібно виконання деякого обсягу ремонтних робіт.

Вартість одного метра виробки складається в основному з вартості його проведення C і підтримки C

C = C + C . (10)

Прямі витрати при цьому пов'язані з вартістю матеріалів і виплатою зарплати. Зарплата складається з постійної частини C_ПР, у вигляді виплат за виконання всіх прохідницьких процесів, і перемінної C_КP, пов'язаної з вартістю кріплення виробки:

C₃ = C _ПР + C_КP N . (11)

Вартість матеріалів також складається з постійної частини C_MП, що враховує витрати на спорудження рейкового шляху, водовідливної канавки і т.ін., і перемінної C_MК, що враховує вартість матеріалів кріплення.

C_M = C_MП + Р F _M N , (12)

де N - кількість рам на 1 м виробки.

Структура витрат на підтримку виробки така ж:

C₃ = C_КP N ₀ , (13)

C_M = C_MК Р F _M N ₀ , (14)

де F - площа поперечного перетину профилю кріплення; _M - об'ємна маса матеріалу кріплення; ₀ = (1 - ) - показник ремонтуємості виробки, обумовлений з рішення попередньої задачі.

Загальні витрати на проведення і підтримку виробки визначаються виразом

C = C_ПР + C_MП + N [ (C_КP + C_MК Р F_M )+ (C_КP + C_MK Р F_M ) ₀ ]. (15)

Кількість рам кріплення на 1 м виробки з рішення попередньої задачі визначається за формулою

, (16)

де = C_КP + C_MК Р F_M - витрати на забезпечення стійкості виробки в межах 1 рами кріплення; = C_КP + C_MП Р F_M - витрати на піддтримку виробки в межах 1 рами кріплення.

Вирішуючи спільно останні два рівняння, одержимо наступну формулу для визначення вартості проведення виробки, що має місце в умовах випадкового впливу зовнішніх факторів

. (17)

З метою мінімізації витрат на проведення і підтримку виробки диференцуємо (17) за перемінною ₀ і дорівняємо похідну до 0. У підсумку одержимо рівняння

. (18)

З (18) отримаємо

, (19)

де ₀ , , - оптимальні значення шуканих величин.

Це головне рівняння в задачі, що вирішувалася.

Виконані дослідження дозволили зробити наступний висновок: співвідношення капітальних і експлуатаційних витрат, при яких сумарна вартість спорудження і підтримки виробки буде мінімальною, є нелінійною функцією варіації коефіцієнта стійкості і показника стійкості, що дозволяє при встановлених параметрах кріплення оцінити вартість ремонтних робіт і вибрати технологію їх виконання.

Основні положення методики проектування протяжних гірничих виробок полягають в наступному:

У залежності від міцності порід, які перетинає виробка, визначають спосіб проведення і варіацію коефіцієнта стійкості _К.

У залежності від призначення виробки установлюють граничну величину коефіцієнта стійкості К_гр.

За відомими методиками знаходять середню величину навантаження на кріплення для заданих умов m_q.

У залежності від призначення виробки, гірничо-геологічних умов, стану порід, що вміщують, і їх обводненості приймають тип і конструкцію кріплення.

Для прийнятої конструкції за відомими методиками встановлюється його несуча здатність m_qгр.

Визначають сумарну вартість кріплення і його зведення = *.

Визначають середнє значення коефіцієнта стійкості m_К.

За відомими значеннями m_К, К_гр і _К визначають обсяг ремонтних робіт у період експлуатації .

Приймаючи, що = *, визначають відношення */*.

За відомими */* і * знаходять вартість ремонтних робіт *, при якій сумарна вартість виробки буде мінімальною.

Аналізується величина * і підбирається технологія, що поменшила б необхідні витрати. У тому випадку, коли підприємство не має у своєму розпорядженні подібної технології, розрахунок коректується у бік збільшення (чи зменшення) обсягів ремонтних робіт, зміни типу і розмірів обраного кріплення.

Дійсна методика затверджена інститутом “Дніпродіпрошахт” і використовується при проектуванні нових видобувних ділянок на шахті “Алмазна” ДХК “Добропілллявугілля”.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій отримане нове рішення актуальної задачі розробки на основі імовірносних моделей методики оптимального проектування підземних гірничих виробок і планування ремонтно-відновних робіт з метою забезпечення їх стійкості протягом усього періоду експлуатації, обґрунтування конструктивних параметрів кріплення і найменш дешевих, але досить ефективних способів підтримки виробок у стійкому стані.

Основні наукові і практичні результати зводяться до наступного.

Узагальнені результати шахтних спостережень за процесами деформації порідного масиву, що вміщує, і зміни кривизни рамного аркового кріплення підготовчих виробок, що дозволило обґрунтувати імовірносно-статистичну модель для встановлення залежності коефіцієнта стійкості протяжної виробки від гірничо-геологічних і гірничотехнічних факторів, що впливають.

На основі порівняльного аналізу імовірносних законів встановлена найбільш адекватна модель для розподілу коефіцієнта стійкості уздовж протяжної виробки.

Розроблена інженерна методика визначення статистичних характеристик коефіцієнту стійкості протяжних гірничих виробок для оптимізації параметрів кріплення і обґрунтування способів їх підтримки в безремонтному стані, яка заснована на інструментальних спостереженнях за протіканням геомеханічних процесів у натурних умовах.

Розроблена методика кількісної оцінки і прогнозування стійкості протяжних гірничих виробок в умовах випадкового впливу гірничо-геологічних та гірничотехнічних факторів з урахуванням оптимізації витрат на проведення і поточні ремонти металевого аркового кріплення в період експлуатації.

На основі розроблених методик запропоновані рекомендації щодо вибору і коректування параметрів кріплення, які відповідають геомеханічним умовам його застосування.

статистичний кріплення гірничий виробка

список опублікованих робіт здобувача за темою дисертації

В.В. Мякенький, А.В. Скобенко. Исследование поведения контура подготовительной выработки при различном расположении забоя лавы на момент его формирования // Горн. информ.-аналит. бюллетень.- М.: Изд-во МГГУ, 1997. - № .- С. 195-197.

Т.А. Ерохондина, А.В. Скобенко, С.Е. Масленников. Текущий контроль деятельности шахты на основе вероятностно-статистических моделей // Науковий вісник НГА України.- 1998.- №1. - С.25-28.

Е.А. Сдвижкова, А.В. Скобенко. Вероятностно-статистический подход к проектированию выработок угольных шахт // Материалы отраслевой науч.-техн. конференции “Прогрессивные решения по креплению и поддержанию выработок”. - Павлоград, 1995 г. - С. 76-78.

Е.А. Сдвижкова, А.В. Скобенко. Вероятностная оценка коэффициента запаса прочности крепи подземного сооружения // Материалы Междунар. научно-технич. конф. "Проблемы и перспективы освоения подземного пространства крупных городов". - Днепропетровск: РИК ГГАУ. - 1996. - С. 126-127.

А.В. Скобенко. Обоснование применения распределения Вейбулла для вероятностной оценки устойчивости подземных выработок // Науковий вісник НГА України.- 1998.- № 3. - С. 18-19.

А.В. Скобенко. Основные положения методики оптимального проектирования протяженных горных выработок на основе вероятностных моделей // Горн. информ.-аналит. бюллетень.- М.: Изд-во МГГУ, 1998. № 1. - С.180-185.

Размещено на Allbest.ru

...