Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Обґрунтування раціональних параметрів технології гірничих робіт біля границь полів напружень

Дніпропетровськ - 2002

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Однією з причин, що стримує темпи і об'єми видобутку вугілля в Україні є низька ефективність використання гірничо-видобувного обладнання при роботі його в полях різної напруженості. Відсутнє необхідне наукове обґрунтування параметрів управління гірським тиском та недостатньо враховані в технологічних схемах очисних робіт особливості структурної будови зон нестійких вміщуючих порід. Границі полів напружень негативно позначаються на всіх технологічних процесах видобутку вугілля. Вони являються джерелами підвищеного вивалоутворення, газовиділення та вологонакопичення, що негативно впливає на технічні можливості вуглевидобувного обладнання та умови праці гірників. До 60% очисних вибоїв пологих пластів працюють в зоні впливу різнорангових та різнотипних геологічних порушень, унаслідок чого втрачається до 20% балансових запасів вугілля.

Проблема відробки запасів біля границь полів напружень має особливо актуальне значення у Львівсько-Волинському вугільному басейні, який розташований на краю древніх платформ і достатньо сильно піддався впливу геологічних порушень. Крім цього планується розробка більш глибокого горизонту пласта V₆. На ньому прогнозується висока ймовірність проявлення гео- та газодинамічних явищ, визваних внутрішніми тектонічними силами.

Поширенню зональності розривних утворень і виділенню чільної тріщинуватості в мережі геологічних порушень приділена досить велика увага. Розглянуті питання стійкості гірничих виробок щодо орієнтації геодинамічних активних зон. Однак вплив геометричних параметрів зсуву порід різних рівнів геологічного порушення на зміну напружень біля границь недостатньо вивчений і вимагає уточнення.

Застосовувані технології недостатньо оцінюють напружено-деформований стан масиву гірських порід біля границь полів напружень, а також відсутнє наукове обґрунтування параметрів і принципових технологічних схем управління гірським тиском.

Тому питання удосконалення технології розробки вугільних пластів біля границь полів напружень актуальні для умов Львівсько-Волинського вугільного басейну і посідають важливе місце в забезпеченні паливно-енергетичного комплексу західного регіону країни вугіллям.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами.

Дисертаційна робота виконана на кафедрі підземної розробки родовищ Національної гірничої академії України відповідно з планом найважливіших держбюджетних робіт Міністерства освіти і науки України на період 1999-2002 рр. (тема ДП - 269 «Розробити наукові принципи ведення гірничих робіт у геологічному середовищі з різноманітними геодинамічними напруженими полями», № держреєстрації 0100U001804). Вона відповідає координаційному плану Міністерства освіти і науки України №39 за фундаментальним напрямком «Гірничі науки» у 1998-2000 рр.

Мета роботи - обґрунтування раціональних параметрів технології гірничих робіт біля границь полів напружень на основі закономірності зміни їх геометричних розмірів і напруженого стану породного масиву.

Для досягнення поставленої мети сформульовані та вирішені наступні задачі.

1. Визначити геометричні параметри і закономірності розподілу границь полів напружень у місцях структурних змін породного масиву.

2. Установити характер переміщення порід при їх підробці очисним вибоєм на різних рівнях границь полів напружень.

3. Установити залежності впливу амплітуди геологічного порушення на напружено-деформований стан біля границь полів напружень.

4. Обґрунтувати несучу здатність і місце встановлення додаткового кріплення біля границь полів напружень у робочому просторі комплексно-механізованих очисних вибоїв.

5. Розробити технологічні рішення з управління гірничими робо-тами біля границь полів напружень.

Ідея роботи полягає в урахуванні напружено-деформованого стану гірських порід і характеру їх поводження при відробці вугільного пласта для обґрунтування раціональних параметрів технології гірничих робіт біля границь полів напружень.

Об'єктом дослідження є масив гірських порід на границях зустрічі полів різнотипних напружень.

Предметом дослідження є технологія гірничих робіт біля границь полів напружень.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених задач використовувався комплексний метод дослідження, що включає обробку й узагальнення літературних і патентних джерел, проведення аналітичних і експериментальних досліджень та шахтну апробацію. Визначення геометричних параметрів границь і оцінка напружено-деформованого стану гірського масиву проводилися при використанні принципів математичної статистики. Експериментальні дослідження містили в собі лабораторне моделювання фізичних процесів на еквівалентних матеріалах і метод шахтних експериментальних вимірів. Оцінка результатів досліджень велася на підставі апробації в умовах шахт Львівсько-Волинського вугільного басейну.

Наукові положення, що виносяться на захист.

1. Біля границь полів напружень несуча здатність додаткового кріплення (R_д.к.і.) прямо пропорційна різниці навантаження (Р) і несучої здатності секцій (R_к.м.), обернено пропорційна відстаням між стійками додаткового кріплення (l_i), ширині привибійного простору лави (s) і косинусу кута зустрічі з границею полів напружень. Це дозволяє ефективно управляти гірським тиском на стику різнотипних полів напружень.

2. Амплітуда зміщення геометричних границь полів напружень (Y) описується кривою другого порядку і залежить від довжини розповсюдження (X) та емпіричних коефіцієнтів, які враховують особливості структурної будови масиву. В умовах Львівсько-Волинського вугільного басейну відношення величин Y/X становить 0,01-0,05 для дрібноамплітудних геологічних порушень. Це дозволяє раціонально планувати розвиток гірничих робіт з урахуванням розповсюдження полів напружень.

3. Вертикальна складова напружень (_n) змінюється прямо пропорційно амплітуді (Y) і поправочним коефіцієнтам К₁ та К₂, які залежать від місця розташування дослідної точки у граничній частині поля напружень та визначаються нелінійною функцією часу. Це дозволяє коректувати параметри технології очисних робіт на основі напружено-деформованого стану масиву біля границь полів напружень.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

вперше встановлена величина несучої здатності додаткового кріплення та місце його встановлення в комплексно механізованому очисному вибої біля границь полів напружень виходячи з розташування зон підвищеного й пониженого гірського тиску;

обґрунтована частота та густина встановлення стійок додаткового кріплення по довжині виїмкового стовпа біля границь полів напружень виходячи з навантажень від бокових порід;

вперше встановлені залежності розповсюдження геометричних границь полів напружень по площі родовища;

вперше отримані численні значення відношень амплітуд дрібно-амплітудних геологічних порушень до їх довжин простягання;

вперше встановлена залежність зміни вертикальної складової напружень від геометричних параметрів границь полів напружень;

безпосередньо в шахтних умовах встановлений характер переміщень бокових порід в часі на різних рівнях границь полів напружень.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджуються застосуванням основних положень теорії деформації пластичних та пружно-пластичних систем; достатнім обсягом виконаних експериментів та високою відповідністю результатів теоретичних та експериментальних досліджень (розбіжність отриманих результатів 8-18%). Шахтна апробація переходу границь полів напружень підтверджує відповідність наукових результатів, висновків і рекомендацій та можливість їх промислового використання.

Наукове значення роботи полягає у встановленні залежності несучої здатності та місця встановлення додаткового кріплення від зміни величини навантаження бокових порід та обґрунтуванні раціональних параметрів технології очисних та підготовчих робіт на пологих пластах біля границь полів напружень.

Практичне значення отриманих результатів полягає у такому:

розроблена методика аналітичного визначення характеру зміни геометричних параметрів границь полів напружень за допомогою кривої другого порядку для конкретних гірничо-геологічних умов;

запропонований математичний механізм оцінки напружено-деформованого стану граничних частин полів напружень;

запропоновані технологічні рішення ведення гірничих робіт при переході границь полів напружень, застосування яких дозволяє найбільше повно й ефективно використовувати механізований комплекс;

запропоновані раціональні параметри управління гірським тиском біля границь полів напружень виходячи з розташування зон підвищеного й пониженого гірського тиску.

Реалізація результатів роботи. Запропоновані заходи впроваджені в технологічні проекти при переході дрібноамплітудних геологічних порушень механізованими комплексами на шахтах ДХК «Львіввугілля».

Особистий внесок автора полягає у формулюванні мети, напрямків, задач дослідження і наукових положень; розробці методик; обробці, узагальненні й аналізі отриманих результатів; обґрунтуванні технологічних рішень подолання границь полів для умов Львівсько-Волинського вугільного басейну; упровадженні їх безпосередньо в шахтних умовах.

Апробація роботи. Матеріали дисертаційної роботи представлялися й обговорювалися на наукових конференціях: «Проблеми комплексного освоєння надр» (22-24 липня 1998 р., Дніпропетровськ); «21 сторіччя - проблеми і перспективи освоєння родовищ корисних копалин» (12-14 жовтня 1998 р., Дніпропетровськ); «Geotechnological Issues of Underground Space Use for Environmentally Protected World 2001» (21-29 червня 2001 р., Дніпропетровськ); «Проблеми геоінформатики при комплексному освоєнні надр» (29-31 жовтня 2001 р., Дніпропетровськ); а також на науково-методичних семінарах кафедри підземної розробки родовищ.

Публікації. На підставі отриманих результатів, здобувачем опубліковано 9 друкованих праць: у т.ч. статей у фахових виданнях, затверджених ВАК України - 5; матеріалів конференцій - 4.

Структура й обсяг дисертації

Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, висновків, переліку використаних джерел з 194 найменувань на 18 сторінках; містить 103 сторінки машинописного тексту, 32 рисунки, 10 таблиць і додатки на 30 сторінках; загальний обсяг роботи 170 сторінок.

напруження вибій кріплення гірничий

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета та задачі досліджень, наведені наукові положення, що виносяться на захист, наукове та практичне значення роботи, а також дані щодо апробації і публікації досліджень.

Зміст першого розділу. Проблемою управління станом масиву гірських порід при переході границь полів напружень очисними роботами займалися наукові та інженерно-технічні працівники ряду інститутів та виробничих організацій України, країн ближнього та дальнього зарубіжжя. Суттєвим результатам з оцінки напружено-деформованого стану масиву гірських порід, управління гірським тиском, особливостей ведення очисних та підготовчих робіт з урахуванням розташування зон підвищеного та пониженого гірського тиску приділено достатньо уваги в роботах: Авершина С.Г., Батугіної І.М., Білинського О.В., Бондаренка В.І., Бочкарьова А.П., Глазкова Д.Д., Головчанського І.Є., Дніпровського Ю.С., Зборщика М.П., Зубова В.П., Ликова І.М., Кияшка І.А., Колоколова О.В., Кузьменка О.М., Перепелиці В.Г., Петухова І.П., Протодьяконова М.М., Савостьянова О.В., Халимендика Ю.М., Худіна Ю.Л., Шермана С.І., Яворського В.М. та ін.

На основі проведеного аналізу встановлено, що існуючі методики переходу границь полів напружень не достатньо відображають процес регулювання силових параметрів додаткового кріплення і не враховують характер зміни напруженості в залежності від коливання геометричних параметрів та рангової підпорядкованості геологічних порушень. Крім цього відсутні надійні методи прогнозу розвитку границь напружень, і не достатньо вивчений механізм поводження порід при переході очисними роботами різнонапружених полів.

Виходячи з наведеного, очевидним є те, що обґрунтування геомеханічних, технологічних і технічних параметрів взаємодії системи «породний масив - механізоване кріплення - додаткові силові елементи - очисний вибій» є актуальною задачею для комплексно-механізованих очисних вибоїв.

У другому розділі розглянута модель формування полів напружень при змінній структурі масиву гірських порід, вибраний метод розрахунку напружень та методика проведення досліджень.

Структурні зміни вугленосних відкладень визначають утворення полів напружень, які розподіляються за строгою закономірністю в залежності від рангу геологічного порушення.

Визначення геометричних параметрів розповсюдження границь полів напружень ґрунтувалися на дослідженні диз'юнктивів за допомогою однорівневого сканування зміщення порід. Методом геометричної подібності встановлена загальна залежність зміни дрібноамплітудних геологічних порушень по довжині простягання. Область площини зміщення представляє собою замкнутий простір з максимальними значеннями амплітуди в центрі з поступовим зменшенням до периферії його розповсюдження. Приближений контур площини зміщувача можна описати за допомогою рівняння еліпсу.

Виходячи зі структурної будови і сил, які приймали участь у формуванні граничних частин полів напружень, доцільним є визначення напружень, виходячи з приоритетних. Причому визначальними будуть вертикальні напруження. Зміна геометричних параметрів границь напружень по довжині геологічного порушення приводить до адекватної зміни напружено-деформованого стану в зоні їх впливу. Існують відповідно перевідні коефіцієнти (К₁, К₂) від амплітуди геологічного порушення до напружень.

Порівнюючи навантаження з технічними можливостями секцій механізованого комплексу, отримаємо необхідну величину додаткового кріплення. Виходячи з виразу (3), ця величина буде збільшуватися з плином часу. При неможливості задовольнити необхідну несучу здатність кріплення, дана ділянка шахтного поля вважається неперехідною очисними роботами. Тут проводиться частковий або повний демонтаж механізованого комплексу, а залишена зона називатиметься зоною відсікання.

Аналітичне моделювання передбачає певну ідеалізацію умов, тому результати досліджень мають деяку похибку. Для визначення впливу геометричних параметрів зсуву порід на зміну напружено-деформованого стану біля границь полів напружень необхідно виконати моделювання на еквівалентних матеріалах і з наступною перевіркою отриманих результатів в натурних умовах шахти.

У третьому розділі наведені результати поводження гірського масиву біля границь полів напружень на основі лабораторних та шахтних досліджень.

Лабораторні дослідження проводились за допомогою спеціальної установки шляхом врахування переміщень порід й аналізу напружено-деформованого стану по замірних станціях. Для цього в масиві еквівалентних матеріалів була утворена порожнина, яка імітувала розрізну піч трапецевидної форми поперечного перерізу. Вона розбивалася на 11 умовних ділянок, за якими проводилися виміри конвергенції порід покрівлі та підошви. Границя полів напружень знаходилася приблизно у центрі досліджуваної області.

Фізичне моделювання за допомогою еквівалентних матеріалів показало, що переміщення порід по різні сторони геологічного порушення носить строго виражений характер. Деформаційні властивості порід у висячому боці зміщувача в 2?2,5 рази вищі, ніж у відповідних точках лежачого боку границь полів напружень.

У результаті проведених досліджень встановлено, що існує зона пониженого та підвищеного гірського тиску відповідно у висячому та лежачому боках зміщувача порід.

Математичні вирази визначення геометричних параметрів границь полів напружень були використанні для прогнозування амплітуди зміщення та довжини простягання дрібно амплітудних геологічних порушень ряду шахт Львівсько-Волинського вугільного басейну. Для натурних досліджень в шахтних умовах виділені ділянки з вкрай несприятливими гірничо-геологічними умовами («Відродження» лави №№580, 582 і 584 пласта n₇; «Візейська» лави №№211 і 212 пласту n₇ та «Червоноградська» лави №№421, 422 пласта n₈ ДХК «Львіввугілля» та ін.).

У результаті аналізу геоструктурної будови та розвитку тектонічних утворень пласта n₈ шахти «Червоноградська» встановлено, що площина 421 та 422 лав, попадає під вплив локальних полів напружень, границі яких являються причинами утворення розривних порушень. Виділені три квадранти одногенезисних полів, які представлені перетином дрібноамплітудних геологічних порушень з 422 конвеєрним штреком на ПК 34 і ПК 62.

В умовах лави №582 пласта n₇ шахти «Відродження» вихідними даними моделювання розповсюдження границі поля і його амплітуди служать дані плану розвитку геологічного порушення в лаві з ПК 26 по ПК 25.

Для отримання математичної залежності була проведена ідеалізація умов на основі кореляції точок максимуму амплітуди. В результаті визначено, що максимальне вертикальне зміщення дез'юнктиву порід в центрі геологічного порушення складе 2,6 м.

При розкритті очисними роботами границь полів напружень прогнозовані результати відрізняються від реальних на 8-18%.

У результаті проведених досліджень підтверджено, що амплітуда зміщення геометричних границь полів напружень описується кривою другого порядку і залежить від довжини розповсюдження та емпіричних коефіцієнтів, які враховують особливості структурної будови масиву. Причому статистична обробка дрібноамплітудних геологічних порушень показала, що для умов Львівсько-Волинського басейну, відношення Y/X знаходиться в межах: 0,01 - 0,05.

Оцінка напружено-деформованого стану масиву проводилася по зміні поперечних розмірів гірничих виробок на різних рівнях геологічного порушення. В результаті встановлено, що максимальні зближення порід проходять у вертикальній площині. Порівнявши деформаційні характеристики гірських порід зі зміною амплітуди, встановлено, що існує пряма залежність між цими параметрами. Згідно з отриманими результатами виходить, що існує загальна тенденція до зменшення конвергенції порід в часі. Це означає, що зона впливу границь полів напружень не стаціонарна, а змінюється за площею в сторону від зміщувача порід. При цьому напруження в масиві гірських порід зменшується, а навантаження на привибійне кріплення збільшується.

У якості додаткового кріплення найбільш прийнятним є застосування дерев'яних чи гідравлічних стійок підсилення. Фактичні геометричні розміри зони додаткового кріплення не стаціонарні. З плином часу вони збільшуються, і адекватно змінюється величина навантаження на кріплення очисного вибою. Тому обов'язковим є корегування силових параметрів кріплення підсилення з урахуванням часу знаходження в зоні підвищеного тиску.

Використовуючи вище запропоновану методику, були розроблені рекомендації з управління гірським тиском у конкретних гірничо-геологічних умовах Львівсько-Волинського вугільного басейну. На підставі аналізу технологічних рішень ведення гірничих робіт біля границь полів напружень, автором були зібрані, оброблені та доповнені технічні рішення управління гірничими роботами в зонах змінних геологічних структур.

Метою даних технологічних рішень є перехід границь полів напружень при різному просторовому положенні. Вклинення границі в зону ведення очисних робіт (границя перетинає лише одну підготовчу виробку) викликає необхідність врахування злому механізованого комплексу у вертикальній площині. У випадку, коли геологічне порушення цілком знаходиться в зоні очисних робіт виникає необхідність поділу комплексу на дві частини. Для цього передбачається проведення додаткових підготовчих виробок. При наскрізному проходженні порушення, найбільш доцільним є повний перемонтаж механізованого комплексу.

Усі схеми ситуаційного управління гірничими роботами передбачають маневр твердою базою комплексу: з поворотом на визначений кут чи під кутом 90⁰ до підготовчих виробок; з повним перемонтажем комплексу; з веденням очисних робіт із присічкою бокових порід.

Можливість застосування запропонованих технологічних рішень були випробувані при подоланні границь полів напруг шахтах ДХК «Львіввугілля».

Висновок

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій вирішена актуальна наукова задача з обґрунтування раціональних параметрів технології очисних та підготовчих робіт біля границь полів напружень.

У ході виконання роботи отримані такі результати.

1. На підставі вивчення геометричних параметрів і закономірностей розподілу границь полів напружень у просторі встановлено, що в гірничо-геологічних умовах Львівсько-Волинського басейну:

- границі локальних полів напружень являють собою мережу квадрантів, утворених перетином основних, торцевих і вторинних паралельних геологічних порушень;

- геометрична границя полів напружень, представлена тектонічними утвореннями нижчих порядків, визначається генезисом і має форму еліпса;

- для дрібноамплітудних геологічних порушень відношення амплітуди до довжини простягання складає 0,01-0,05;

- відмінність прогнозованих довжини й амплітуди границь полів напружень з натурними показниками складає 8-18%.

2. Установлений характер зміни конвергенції порід покрівлі на різних рівнях границі полів напружень:

- змінюється стрибкоподібно з визначеними інтервалами в залежності від місця розташування досліджуваної точки до границі полів напружень і часу перебування в зоні впливу гірських робіт.

3. Вивчення впливу амплітуди дрібноамплітудного геологічного порушення на напружено-деформований стан біля границь полів напружень показало, що:

- вертикальна складова напруження (у_n) у висячому і лежачому боках зміщувача порід змінюється прямо пропорційно амплітуді (Y) і поправочним коефіцієнтам К₁ та К₂, які залежать від місця розташування дослідної точки у просторі та визначаються нелінійною функцією часу;

- біля границь полів напружень у статичному стані існує значна потенційна енергія, що при виведенні масиву гірських порід зі статичної рівноваги очисними роботами перетворюється в кінетичну роботу з переміщення бічних порід. Причому при цьому виникає зона пониженого і підвищеного гірського тиску відповідно в лежачому та висячому боках.

4. Обґрунтована несуча здатність (R_д.к.і) і місце розташування (l_i, l_n) додаткового кріплення в робочому просторі комплексно-механізованих очисних вибоїв біля границь полів напружень:

- область впливу геологічного порушення залежить від амплітуди зміщувача порід (А_max) і структурної будови масиву, що дозволяє зробити оцінку напружено-деформованого стану і визначити несучу здатність (R_д.к.і) та місце розташування (l_i, l_n) додаткового кріплення в граничних частинах полів напружень. Це дозволяє ефективно управляти гірським тиском на стику полів різнотипних напружень;

- несуча здатність додаткового кріплення (R_д.к.і) прямо пропорційна різниці навантаження і несучої здатності та обернено пропорційна відстані між стійками (l_i) додаткового кріплення, ширині привибійного простору (s) і косинусу кута зустрічі з границею полів напружень;

- відстані між додатковим кріпленням по довжині виїмкового стовпа (l_n) установлюються виходячи з частоти зміни щільності кріплення (n), що визначається критерієм припустимої різниці несучої здатності секцій механізованого комплексу і додаткового кріплення до величини граничних навантажень з боку бокових порід.

5. Розроблені технологічні рішення ведення гірничих робіт біля границь полів напружень, що визначають:

- раціональне місце розташування гірничих виробок біля границь полів напружень;

- напрямок ведення очисних і підготовчих робіт;

- технологічні та конструктивні особливості в гірничодобувному устаткуванні;

- схеми ситуаційного керування гірничими роботами біля границь полів напружень.

6. Економічна оцінка підтверджує ефективність запропонованих заходів.

Результати дисертаційної роботи враховані при переході границь полів напружень в умовах шахт «Червоноградська», «Відродження», «Візейська» ДХК «Львіввугілля», що дозволило збільшити повноту видобутку вугілля на 15-20%, знизити собівартість вугілля на 5%, підвищити ефективність використання гірничо-видобувного устаткування і техніку безпеки в очисному вибої.

Размещено на Allbest.ru