Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

УДК 622.833.5

Спеціальність 05.15.09 - "Механіка ґрунтів та гірських порід"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Закономірності зміни граничного напруженого стану у складноструктурній покрівлі лав положистих вугільних пластів

Хозяйкіна Наталія Володимирівна

Дніпропетровськ-2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі будівельних геотехнологій і геомеханіки Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Шашенко Олександр Миколайович, завідувач кафедри будівельних геотехнологій і геомеханіки Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Усаченко Борис Миронович, завідувач відділу механіки гірських порід Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України (м. Дніпропетровськ)

- доктор технічних наук, професор Бондаренко Володимир Ілліч, завідувач кафедри підземної розробки родовищ Національного гірничого університет Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Провідна установа: Донецький національний технічний університет

Міністерства освіти і науки України, кафедра будівництва шахт та підземних споруд

Захист дисертації відбудеться " 1 " липня 2004 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19)

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19)

Автореферат розісланий " 1 " червня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, доцент О.В. Солодянкін

Анотації

Хозяйкіна Н.В. Закономірності зміни граничного напруженого стану у складноструктурній покрівлі лав положистих вугільних пластів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.09 - "Механіка ґрунтів і гірських порід". Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, Дніпропетровськ, 2004.

У дисертаційній роботі встановлені геомеханічні закономірності зміни граничних напружених станів складноструктурного порідного масиву, що залягає в покрівлі, при відпрацьовуванні положистих вугільних пластів за допомогою суцільної системи розробки.

Виконано дослідження з вивчення процесу обвалення порід покрівлі вугільного пласту на моделях з еквівалентних матеріалів.

Комп'ютерне моделювання процесу обвалення складно структурної покрівлі в лавах дозволило простежити зміни НДС для важкообваленної покрівлі положистого вугільного пласту на основі методу скінчених елементів.

На підставі аналізу натурних, лабораторних і аналітичних досліджень запропонована трьохстадійна модель обвалення порід покрівлі положистих вугільних шарів, що дозволяє для конкретних гірничо-геологічних умов прогнозувати основні параметри процесу руйнування породного масиву при пересуванні лави.

На основі встановлених закономірностей прогнозування й отриманих формул для величин генерального і сталого обвалень розроблена номограма.

Ключові слова: генеральне обвалення, стале обвалення, граничний напружений стан, критерії міцності, трьохстадійна модель обвалення.

Хозяйкина Н.В. Закономерности изменения предельного напряженного состояния в сложноструктурной кровле лав пологопадающих угольных пластов. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.15.09 - "Механика грунтов и горных пород". Национальный горный университет Министерства образования и науки Украины, Днепропетровск, 2004.

В диссертационной работе установлены геомеханичесике закономерности изменения предельных напряженных состояний сложноструктурного породного массива залегающего в кровле, при отработке пологопадающих угольных пластов с помощью сплошной системы разработки.

В качестве объектов исследований определены шахты "Белозерская" и "Новодонецкая" ГП "Добропольеуголь".

Выполненные натурные и лабораторные исследования поведения труднообрушаемой кровли угольных пластов для горно-геологических и горнотехнических условий ш. "Белозерская" и "Новодонецкая" ГП "Добропольеуголь", позволили определить основные управляющие параметры и разработать расчетные схемы для компьютерного моделирования.

Предложены и обоснованы механические модели генерального и установившегося обрушений пород кровли для горно-геологических условий ш. "Белозерская" ГП "Добропольеуголь" угольного пласта l8.

Выполнены исследования по изучению процесса обрушения пород кровли угольного пласта на моделях их эквивалентных материалов.

Разработаны интегральные критерии устойчивости пород кровли для генерального и установившегося обрушения; доказано, что потеря устойчивости породного массива в кровле отрабатываемого пласта возможна в том случае, если точечный критерий реализуется по всему объему разрушенных пород, ограниченному кривой, длина и форма которой соответствуют интегральному условию прочности.

На основании анализа натурных, лабораторных и аналитических исследований предложена трехстадийная модель обрушения пород кровли пологопадающих угольных пластов, позволяющая для конкретных горно-геологических условий прогнозировать основные параметры процесса разрушения породного массива при движении лавы.

Установлено, что мощность отрабатываемого угольного пласта в пределах ее изменения на шахтных полях ГП "Добропольеуголь" не влияет на распределение и величину напряжений в породах кровли, что существенно упрощает решение геомеханических задач.

Компьютерное моделирование процесса обрушения сложноструктурной кровли в лавах позволило проследить изменения НДС для труднообрушаемой кровли пологопадающего угольного пласта на основе метода конечных элементов.

Установлено, что шаг генерального и установившегося обрушения зависит от прочности вмещающих пород, мощности слоев непосредственной и основной кровли, а также длины лавы

На основе установленных закономерностей прогнозирования и полученных формул для величин генерального и установившегося обрушений разработана номограмма.

Ключевые слова: генеральное обрушение, установившееся обрушение, предельное напряженное состояние, критерии прочности, трехстадийная модель обрушения.

Khoziaikina N.V. The regulations of changing boundary stressed state in a complex-structure roofing of sloping coal seam drives. - Manuscript.

Thesis on obtaining scientific degree of Candidate of Technical Science. Specialty 05.15.09. - Ground and Rock Mechanics. National Mining University of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Dnipropetrovsk 2004.

Geomechanical regularities change of boundary stressed states of complex-structure rock massif, which lies in the roofing at working sloping coal seams with the help of solid system of mining development, are stated in thesis.

Research on the process of rock roofing's falling of coal seam on models with equivalent materials is done.

On the basis of natural, laboratory and analytical research a three-stage model of roofing rock collapse of coal seams falling is proposed, which lets forecast main parameters of the process of rock massif destruction at drive's moving for concrete mining and geological conditions.

Computer modeling of the roofing falling process of complex-structure roofing in drives allowed to watch changes of stressed deformed state for hard-to-fall roofing of sloping coal seam on the basis of method of boundary elements. On the basis of stated regularities of forecast and formula obtained for magnitudes of general and stable falling, nomogram is developed.

Key words: general falling, stable falling, boundary stressed state, power criteria, three-staged model of falling.

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Вугільна промисловість України забезпечує твердим паливом електроенергетику, коксохімію, металургію, також значна доля вугілля використовується на потребу населення, у цементній промисловості та сільському господарстві. Великі поклади вугілля на території України при недостатній кількості нафти і газу роблять його домінуючим енергоносієм. Важкі гірничогеологічні умови залягання вугільних пластів у Донбасі, велика глибина розробки сприяють підвищенню собівартості вугілля та знижують безпеку його видобутку. Тому тема дисертації, що присвячена встановленню закономірностей обвалення порід покрівлі, що містить міцні шари піщаника, є актуальною і важливою для вуглевидобувних шахт України.

Робота виконана відповідно до програм науково-дослідних робіт Національного гірничого університету, що пов'язані з держбюджетними темами ГП-207 "Оптимізація просторової орієнтації підземних виробок у структурно-неоднорідному породному масиві" (№ держреєстрації 0197018306) і ГП-269 "Розробити наукові принципи розвитку гірничих робіт у геологічному середовищі з різноманітними напруженнями і геодинамічними полями" (№ держреєстрації 01D0V001804).

Метою досліджень є встановлення геомеханічних закономірностей зміни граничних напружених станів у покрівлі складноструктурних положистих вугільних пластів, що містить потужній шар міцних порід.

Основна ідея досліджень полягає в урахуванні особливостей структури порід покрівлі у лавах положистих вугільних пластів при дослідженні граничних напружених станів геомеханічної системи "лава-породний масив".

Основні задачі досліджень:

- вивчення гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов відпрацьовування вугільних пластів, збір і обробка натурних даних обвалення міцних потужних порід покрівлі вугільного пласту;

- розробка механічних розрахункових схем до визначення основних параметрів обвалення порід складноструктурної покрівлі положистого вугільного пласту при відпрацьовуванні його лавами;

- встановлення закономірностей обвалення порід покрівлі на моделях з еквівалентних матеріалів;

- комп'ютерне моделювання процесу обвалення складноструктурної покрівлі в лавах положистих вугільних пластів;

- розробка методики прогнозу основних параметрів обвалення складноструктурної покрівлі;

- розрахунок передбачуваного економічного ефекту від використання результатів досліджень.

Об'єктом досліджень є напружений стан складноструктурної покрівлі під час розробки положистих вугільних пластів, що містять потужний шар міцних порід.

Предметом досліджень є граничні напружені стани складноструктурної покрівлі у лавах положистих вугільних пластів.

Методи досліджень. Поставлена у роботі ціль досягнута шляхом використання методів комплексного аналізу й узагальнення інформаційних джерел і світового досвіду в області геомеханіки складноструктурного породного масиву, а також аналітичних, лабораторних і натурних досліджень з використанням методів механіки суцільного середовища, комп'ютерного моделювання, теорії ймовірностей і статистики.

Основні наукові положення, що захищаються у дисертації:

1. Втрата стійкості порід покрівлі, як структурного елемента геомеханічної системи "лава-породний масив", відбувається в тому випадку, коли точковий критерій міцності реалізується у всьому об'ємі порід покрівлі, що обмежені кривою склепіння природної рівноваги, розміри і форма якого визначаються інтегральним критерієм міцності, що дозволяє установити закономірності обвалення порід покрівлі для різних гірничогеологічних умов.

2. Величина генерального і крок сталого обвалень порід покрівлі для визначених гірничогеологічних умов не залежать від потужності вугільного пласта і являють собою нелінійну функцію структури і міцності порід основної і безпосередньої покрівель, а також довжини лави, що дозволяє прогнозувати параметри обвалення та приймати відповідні технічні рішення і міри безпеки.

Наукова новизна одержаних результатів досліджень полягає у наступному:

- вперше доказано, що втрата стійкість порідного масиву в покрівлі пласту, що відпрацьовується, можлива в тому разі, якщо точковий критерій міцності розповсюджується по всьому об'єму зруйнованих порід, що обмежений кривою, довжина та форма якої відповідає інтегральної умові стійкості;

- вперше встановлено, що крок генерального та сталого обвалень залежить від міцності вміщуючих порід, потужності шарів основної та безпосередньої покрівель, довжини лави і не залежать від потужності пласту вугілля;

- вперше запропонована трьохстадійна модель обвалення порід покрівлі положистих вугільних пластів, що дозволяє для конкретних гірничогеологічних умов прогнозувати основні параметри процесу руйнування породного масиву при просуванні вибою лави.

Наукове значення роботи полягає в: обґрунтуванні головних управляючих параметрів, які суттєво впливають на геомеханічну ситуацію при обваленні покрівлі вугільного пласту, що містить потужний шар міцного піщанику; розробці адекватної розрахункової схеми для комп'ютерного моделювання на підставі виконаних натурних та лабораторних досліджень поведінки складноструктурної покрівлі вугільного плату; обґрунтуванні інтегральних критеріїв стійкості порід покрівлі для величини генерального та кроку сталого обвалень.

Практичне значення роботи:

- на основі встановлених залежностей генерального і сталого кроку обвалення від міцності вміщуючих порід, потужності шарів основної та безпосередньої покрівель, а також довжини лави розроблена номограма для визначення основних параметрів обвалення порід покрівлі;

- розроблена методика оцінки основних параметрів обвалення порід покрівлі для умов положистих вугільних пластів ДП "Допровіллявугілля".

Отримані залежності, номограма та методика дозволяють у гірничотехнічних та горно-геологічних умовах шахт ДП "Добропіллявугілля" раціонально розмістити кріплення у підготовчих виробках, підвищити безпеку гірників, обрати раціональні параметри технологій.

Обґрунтованість і вірогідність положень, висновків і рекомендацій підтверджена коректністю поставлених задач, достатнім обсягом аналітичних, лабораторних і натурних способів досліджень, використанням методів механіки суцільного середовища, комп'ютерного моделювання, теорії ймовірностей і статистики, задовільним (7-20 %) збігом результатів аналітичних і натурних досліджень, адекватністю розроблених механічних та математичних моделей реальним об'єктам, результатами позитивного практичного використання розробок і рекомендацій.

Реалізація результатів досліджень. Результати досліджень закономірностей деформування порід складноструктурної покрівлі пласту l8 виконувалися на ш. "Білозерська" ДП "Добропіллявугілля" і реалізовані у вигляді "Рекомендацій з визначення параметрів обвалення порід покрівлі у лавах для гірничогеологічних і гірничо-технологічних умов відпрацювання пласту l8" та використовується у технічних відділах шахт при розробці заходів по забезпеченню стійкості підготовчих виробок.

Особистий внесок автора. Автором самостійно сформульовані мета і задачі досліджень, ідея роботи, її основні наукові положення, висновки і рекомендації, порядок лабораторних і натурних досліджень, обрані методи аналітичних досліджень. Автор приймала безпосередню участь у плануванні методики і виконанні лабораторних робіт, теоретичних досліджень, розробці фізичних, механічних і математичних моделей, упровадженні результатів у виробництво.

Апробація результатів досліджень. Основні дослідження дисертації доповідалися, обговорювалися, були схвалені на засіданні кафедри будівельних геотехнологій і геомеханіки Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ), на засіданні кафедри будівництва шахт та підземних споруд Донецького Національного технічного університету (2003-2004 р.), на засіданнях Технічної Ради ДП "Добропіллявугілля" (м. Добропілля, 2002-2004 рр.), на науковій конференції "Проблеми і перспективи геотехнологій на початку ІІІ тисячоліття" Форум гірників-2002 НГУ Дніпропетровськ, на "Неделе горняка - 2004" у Московському державному гірничому університеті (м. Москва), на міжнародній студентській науково-технічній конференції "Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений" Донецького Національного технічного університету, 2004.

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 9 наукових праць, у тому числі 7 статей у фахових виданнях, 2 у матеріалах наукових конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновку, списку використаних літературних джерел з 93 найменувань і 2 додатків. Вона містить 127 сторінки машинописного тексту, 52 рисунка і 18 таблиць. Загальний обсяг роботи складає 144 сторінки.

Основний зміст роботи

Вугільна промисловість України є стратегічною галуззю країни, що орієнтована на максимальне використання власних енергетичних ресурсів. За підсумками роботи за 2003 рік на вугільних шахтах видобуто 79 млн.т. вугілля, це на 3 млн. т менш, ніж за попередні роки стійкого розвитку галузі. Цьому сприяла низка чинників, серед яких одним із головних є погіршення гірничогеологічних умов. Так, на деяких вугільних шахтах породи покрівлі містять потужні шари міцного піщаника, що робить основну покрівлю такою, що важко обвалюється. Це знижує економічні показники роботи відповідних вугільних шахт і безпеку ведення очисних робіт у них.

Одним з перспективних підприємств вугільної галузі України є ДП "Добропіллявугілля". Промислові запаси високоякісного коксівного й енергетичного вугілля в цьому регіоні складають 505 млн.т при наявності потужних пластів, що розробляються в досить складних гірничо-геологічних умовах.

Шахта "Білозерська" є характерним структурним підрозділом Державного підприємства зі складними гірничо-геологічним умовами. Ця складність, зокрема пов'язана з наявністю в покрівлі вугільного пласту l8 потужного шару міцного піщанику, що схильний до зависання. У таких же умовах ведуться гірничі роботи і на шахті "Новодонецька". У процесі ведення очисних робіт посадка основної покрівлі в лавах відбувається у вигляді обвалення консолі, що зависає. У місці обвалення різко підвищується гірський тиск, можливі посадки очисних комплексів "нажорстко", ярусні штреки піддаються значним навантаженням на кріплення та знижується безпека робочих, які працюють у лаві.

Відповідно до поставлених задач для досліджуваних гірничо-геологічних умов розроблені початкові механічні моделі генерального і сталого обвалень порід покрівлі.

Для генерального обвалення запропонований наступний інтегральний критерій міцності порід покрівлі:

, (1)

де - середньозважене значення межи міцності на одноосьовий стиск порід покрівлі, kc - середньозважене значення коефіцієнту структурного послаблення порід покрівлі; гср - середнє значення об'ємної ваги гірських порід; hi - міцність i - го шару гірських порі, що залягають у покрівлі вугільного пласту.

Встановлені основні фактори, що впливають на величину генерального обвалення: це межа міцності шарів порід покрівлі на одноосьовий стиск і розтягання, їх структура, неоднорідність, тріщинуватість та довжина лави.

Доказано, що у рамках прийнятих передумов величина граничного прольоту покрівлі не залежить від глибини розташування лави.

Для сталого обвалення на основі найпростішої розрахункової схеми отримана попередня залежність сталого кроку обвалення від потужності піщанику - hп і довжини лави - L:

, (2)

де kпр - коефіцієнт приведення; гп и гк - об'ємна вага піщанику і покрівлі, відповідно; hп и hк - потужність піщанику і покрівлі, відповідно;

- коефіцієнт крихкості, що дорівнюється відношенню межі міцності на розтягнення Rр, до межі міцності на стиск Rс; и - коефіцієнт структурного послаблення порід покрівлі і піщаника.

На основі залежності (2) установлено, що основними параметрами, що визначають крок сталого обвалення є довжина лави, середньозважена міцність порід покрівлі і їх тріщинуватість.

У результаті лабораторних досліджень, виконаних на моделях з еквівалентних матеріалів, простежений механізм деформування товщі порід при посуванні вибою у виробленому просторі.

При цьому встановлено, що при генеральному обваленні у породах покрівлі утвориться склепіння граничної рівноваги криволінійної форми. Величина генерального обвалення лінійно залежить від потужності піщанику, що залягає у покрівлі, і може бути представлена наступною формулою:

lг=88+0,9hп. (3)

Результати моделювання сталого кроку обвалення покрівлі в першому наближенні вказують на існування лінійної залежності кроку обвалення від потужності піщанику. Ця залежність має вигляд:

ауст = 29 + 0,96hп. (4)

При обваленні порід у покрівлі з боку вугільного вибою утворюються заколи з кутом, що дорівнює 55-650.

Зміна НДС порід масиву при очисній виїмці пов'язана з безупинним перерозподілом напружень, що викликано постійним посуванням очисного вибою. вугільний пласт геомеханічний покрівля

Для визначення змін НДС порід методом скінчених елементів розглянута послідовність розрахункових схем, що імітують відхід лави від розрізної печі і посування очисного вибою. Рішення здійснювалося покроково.

Досліджувана область апроксимована трикутними елементами. Розглядався середній перетин лави перпендикулярний лінії очисного вибою, тобто вирішувалася задача плоскої деформації. Реально існуюча тривимірність досліджуваного об'єкту врахована за методикою проф. Новикової Л.В. за допомогою введення в плоску розрахункову схему коефіцієнта пригрузки kу, що дозволяє враховувати нерівномірність навантаження кожного перетину лави залежно від його відстані до місця розташування додаткової концентрації напружень. Величина коефіцієнта пригрузки (kу) за розрахунками дорівнює 1,3.

У довільній точці масиву загроза руйнування середовища визначалася на основі точкового критерію міцності шляхом порівняння величини еквівалентного напруження уе з межею міцності порід на одноосьовий стиск Rс:

(5)

де у1,у3 - компоненти головних напружень.

Визначивши в кожній точці масиву значення еквівалентних напружень (5) і зв'язані з ними значення запасу міцності, можна оцінити розміри і місце розташування умовних зон руйнування для порівняльного аналізу змін, що відбулися в масиві на кожному етапі посування очисного вибою.

Аналіз результатів комп'ютерного моделювання і моделювання на еквівалентних матеріалах показав, що в покрівлі виробки в міру відпрацьовування вугільного пласту формується склепіння обвалення, що має форму близьку до параболічної. При цьому результати комп'ютерного моделювання показують, що область зруйнованих порід, усередині якої виконується точкова умова міцності (5), також має обрис параболічного склепіння. Область, усередині якої виконується умова (5), вважається зруйнованою. Однак обвалення порід покрівлі може відбутися тільки в тому випадку, якщо виконується інтегральна умова міцності (1), що визначає цілісність усієї системи "виробка-масив".

У випадку залягання в основній покрівлі досить потужного шару міцних порід відрив порід може відбуватися по лінії контакту з більш слабкими породами, що залягають вище цього шару. Тоді форма склепіння обвалення в перетині близька до трапеції. З невеликою долею погрішності парабола склепіння обвалення може бути апроксимована ламаною кривою, що утворює трапецію, бічні лінії якої нахилені під кутом б до горизонту.

Лінія 1 обмежує область, у межах якої виконується точковий критерій міцності (5), а лінія 2 обмежує поверхню, на якій величина нормальних напружень, що розтягують, перевершує межу міцності на розтягання, тобто виконується інтегральний критерій міцності (1). У граничному стані обидві ці лінії практично збігаються й утворюють криволінійне склепіння обвалення. Збіжність результатів натурних і лабораторних вимірів з аналітичними дозволяє обґрунтовано зробити припущення, що саме при цьому розмірі в шарі піщанику на границі з шаром порід, що залягає вище, відбувається відділення зруйнованої частини покрівлі і наступне інтенсивне переміщення її у вироблений простір. Кут нахилу до горизонту тієї частини порід консолі, що залишилась з боку вибою, близький до 600, що збігається з даними А.А. Борисова і попередніми результатами моделювання на еквівалентних матеріалах.

Подальші дослідження величини генерального обвалення покрівлі виконувалися у два етапи. На першому етапі досліджень варіювалася потужність піщанику від 0 до 30 м з постійним значенням потужності безпосередньої покрівлі. На другому етапі при кожнім значенні потужності піщанику варіювалася величина потужності безпосередньої покрівлі, тобто аргіліту, у межах від 0 до 20 м.

Величина генерального обвалення істотно залежить від двох параметрів: потужності шару безпосередньої покрівлі і потужності власне шару міцного піщанику. Ця залежність має нелінійний вид і апроксимована поліноміальною функцією:

. (6)

Вплив на величину генерального обвалення, як показало комп'ютерне моделювання, не перевищує 20-25 %. З урахуванням впливу довжини лави величина генерального обвалення визначається залежністю:

. (7)

при м і .

Результати розрахунків, що отримані за формулою (6), мають досить близьку збіжність з результатами лабораторних досліджень і натурних вимірів (розбіжність не перевищує 15 %).

Припускаємо, що параметри сталого обвалення визначаються геометрією області генерального обвалення, що уже відбулося. У процесі подальшого відпрацьовування вугільного пласту, відповідно до нової геометрії, що визначена раніше параметрами генерального обвалення, міняється НДС порід покрівлі. У покрівлі формується блок вторинного обвалення серповидної форми. З невеликою погрішністю його можна апроксимувати фігурою у вигляді ромба.

Вага порід у межах блоку АВСД врівноважується силами відриву по контуру АВС. Інтегральний критерій міцності в цьому випадку буде мати наступний вид:

. (8)

При комп'ютерному моделюванні процесу вторинного обвалення в покрівлі чітко означена область обвалення. Змикання області, усередині який виконується точкова умова міцності (5), із границями області, що визначена відповідно до залежності (8), служить ознакою втрати рівноваги, тобто вторинного обвалення порід покрівлі.

Встановлено, що величина кроку обвалення змінюється від 35 до 65 м, збільшуючись у міру видалення піщанику від покрівлі шару.

При потужності порід безпосередньої покрівлі, що перевищує 14-16 м, вплив піщанику на крок обвалення несуттєвий.

При зміні довжини лави від 125 до 250 м крок обвалення при постійній потужності порід безпосередньої покрівлі (hарг=3,5 м) зменшується, як і у випадку генерального обвалення, приблизно, на 20-25 %.

Обробка даних комп'ютерного моделювання дозволила установити загальну залежність величини кроку обвалення - а - від перемінних параметрів. Ця залежність має наступний вигляд:

. (9)

Загальна залежність (9) величини кроку сталого обвалення від параметрів, що варіюються: потужність порід безпосередньої покрівлі, потужність піщанику, довжина лави, має нелінійний вид і з точністю ±7 % підтверджується результатами натурних вимірів і комп'ютерного моделювання.

На підставі узагальнення натурних спостережень, результатів моделювання на еквівалентних матеріалах і чисельних розрахунках запропонована фізична трьохстадійна модель деформування порід покрівлі при відпрацьовуванні положистих вугільних шарів, що включає періоди формування генерального обвалення, сталого обвалення і мульди зрушення на поверхні.

У період генерального обвалення порід покрівлі (І стадія) над виробленим простором утворюється криволінійне склепіння природної рівноваги, форма якого визначає закономірності обвалення порід покрівлі при подальшому видобутку вугілля.

При сталому обваленні (ІІ стадія) в покрівлі вугільного шару утворюються породні блоки серповидной форми, розмір яких визначається, насамперед, структурою і потужністю порід, що вміщають.

При повному відпрацьовуванні підготовленого стовпа (стадія ІІІ) геомеханічні процеси зрушення продовжують розвиватися і торкаються всієї товщі порід вище зони обвалення аж до поверхні.

Запропонована геомеханічна модель є подальшим розвитком уявлень про закономірності обвалення порід покрівлі в лавах положистих вугільних шарів.

На основі встановлених закономірностей і отриманих формул для прогнозування величин генерального і сталого обвалень для шахт ДП "Добропіллявугілля" розроблена відповідна номограма.

Економічний ефект для умов ш. "Білозерська" ДП "Добропіллявугілля", що отриманий за рахунок раціональної установки кріплення у підготовчих штреках. Склав 192220 грн. на 1000 м довжини виробок перетином у світлі 13,8 мІ і 115050 грн. перетином у світлі 11,2 мІ.

Висновки

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, у якій на основі вперше встановлених закономірностей формування граничних напружених станів порід отримане нове рішення актуальної науково-технічної задачі управління складноструктурною покрівлею, що важко обвалюється положистих вугільних пластів для гірничогеологічних умов шахт ДП "Добропіллявугілля".

Основні наукові і практичні результати дисертації полягають у наступному.

1. Виконано натурні і лабораторні дослідження поводження важкої покрівлі вугільного пласту l8 для геологічних і гірничотехнічних умов ш. "Білозерська" і "Новодонецька" ДП "Добропіллявугілля", що дозволило визначити основні керуючі параметри і розробити розрахункові схеми для комп'ютерного моделювання.

2. Установлено, що потужність вугільного пласту, що відпрацьовується, у межах її зміни на шахтних полях ДП "Добропіллявугілля" не впливає на розподіл і величину напружень у породах покрівлі, що істотно спрощує рішення геомеханічних задач.

3. Розроблено інтегральні критерії стійкості порід покрівлі для генерального і сталого обвалення; доведено, що втрата стійкості породного масиву в покрівлі пласту, що відпрацьовується, можлива в тому випадку, якщо точковий критерій реалізується по всьому об'єму зруйнованих порід, обмеженому кривою, довжина і форма якої відповідають інтегральній умові міцності.

4. Установлено, що крок генерального і сталого обвалення залежить від міцності порід, що вміщують, потужності шарів безпосередньої й основної покрівлі, а також довжини лави, що дозволило одержати залежності і номограму для визначення параметрів обвалення.

5. На підставі аналізу натурних, лабораторних і аналітичних досліджень запропонована трьохстадійна модель обвалення порід покрівлі положистих вугільних пластів, що дозволяє для конкретних гірничо-геологічних умов прогнозувати основні параметри процесу руйнування породного масиву при очисній виїмці вугілля лавами.

6. Розрахунковий економічний ефект для умов ш. "Білозерська" ДП "Добропіллявугілля", що отриманий за рахунок більш раціональної установки кріплення у підготовчих виробках, склав 192220 грн. на 1000 м довжини виробок перетином у світлі 13,8 мІ і 115050 грн. перетином у світлі 11,2 мІ.

Основні положення і результати дисертації опубліковані в таких роботах

1. Хозяйкина Н.В., Кужель С.В., Панибратченко В.Ф., Григорьев А.Е. Проблемы устойчивочти подготовительных выработок на шахте "Белозерская" ГХК "Добропольеуголь" // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Вип. 54, Донецьк, 2002. - С. 137-142.

2. Кужель С.В., Хозяйкина Н.В. Расчет параметров установившегося шага обрушения в лаве при наличии в кровле угольного пласта слоя прочных горных пород // "Геотехнічна механіка". Міжвід. зб. наук. праць ІГТМ, Донецьк-Дніпропетровськ, 2002. - Вип. 40. - С. 166-173.

3. Хозяйкина Н.В. Закономерности генерального обрушения кровли лавы в условиях шахт ГК "Добропольеуголь"" // Известия Тульского государственного университета. Серия "Геомеханика. Механика подземных сооружений", Вып. 1, Тула, 2003. - С. 318-322.

4. Хозяйкина Н.В., Кужель С.В. Взаимосвязь технологических и геомеханических параметров при обрушении пород кровли в лавах // Науковий вісник НГУ. - 2003. № 4. - С. 49-51.

5. Шашенко А.Н., Хозяйкина Н.В. Закономерности изменения предельного напряженного состояния в сложноструктурной кровле угольного пласта при формировании генерального обрушения // Науковий вісник НГУ. - 2003. № 12. - С. 9-14.

6. Хозяйкина Н.В., Сдвижкова Е.А. Закономерности изменения напряженно-деформированного состояния породного массива на первом этапе отработки угольного пласта // Збірник наукових праць НГУ. Том 1. Дніпропетровськ, РВК НГУ, - 2003. № 17. - С.312-317.

7. Хозяйкина Н.В. Закономерности обрушения пород кровли лав, вмещающих пласт прочных горных пород // Информационный бюллетень Московского государственного горного университета - 2004. № 1. - С.174-177.

8. Хозяйкіна Н.В. Моделирование на эквивалентных материалах процесса обрушения основной кровли в условиях ш. Белозерская ГХК "Добропольеуголь" // Наукова конф. "Проблеми і перспективи геотехнологій на початку ІІІ тисячоліття" НГУ, Дніпропетровськ, 2002. - С. 45-52.

9. Хозяйкина Н.В. Обрушение пород кровли в лавах пологозалегающих пластов // Тезисы докладов междунар. студ. науч.-техн. конф. "Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений". - Донецк: "Норд-пресс", 2004. - С. 70-72.

Особистий внесок автора в роботах, що писані у співавторстві: [1] - дослідження гірничогеологічних та гірничотехнічних умов відпрацювання вугільних пластів; [2] - формулювання основних задач, проведення теоретичних досліджень, аналіз результатів; [4] - проведення аналітичних досліджень стану порідної покрівлі вугільного пласту і аналіз результатів; [5] - дослідження закономірностей пружно-деформованого стану порідного масиву і аналіз результатів; [6] - розробка математичної моделі, проведення розрахунків параметрів обвалення і обробка результатів.

Размещено на Allbest.ru

...