Обґрунтування довжини і раціональних режимів кріплення кінцевих ділянок лав

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ ФІЗИКИ ГІРНИЧИХ ПРОЦЕСІВ

ФИЛИМОНОВ ПАВЛО ЄВГЕНОВИЧ

УДК 622.834.1

ОБҐРУНТУВАННЯ ДОВЖИНИ І РАЦІОНАЛЬНИХ РЕЖИМІВ КРІПЛЕННЯ КІНЦЕВИХ ДІЛЯНОК ЛАВ

Спецiальнiсть 05.15.02 - "Пiдземна розробка родовищ корисних копалин"

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Донецьк 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики гірничих процесів НАН України (м. Донецьк)

Науковий керівник: доктор технічних наук Антипов Ігор Владиславович, завідувач відділу прогнозу та боротьби з газодинамiчними явищами у шахтах Інституту фізики гірничих процесів НАН України (м. Донецьк).

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Гребьонкін Сергій Семенович, завідувач кафедри гірничої геомеханiки Донецького національного технічного університету (м. Донецьк), кандидат технічних наук Дубов Євген Дмитрович, заступник директора з наукової роботи Донецького науково-дослідного вугільного інституту Мiнпаливенерго України (м. Донецьк).

Провiдна установа: Інститут геотехнічної механіки ім. М.С.Полякова НАН України (м. Дніпропетровськ).

Захист відбудеться 01.07.2004 р. о 13 годинi на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.184.02 при Інституті фізики гірничих процесів НАН України за адресою: вул. Рози Люксембург, 72, 83114, м. Донецьк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

кріплення ділянка лава

Актуальність теми. Програмою "Українське вугілля" (Постанова Кабінету Міністрів України від 19.09.2001 р. № 1205) передбачається збільшення видобутку вугілля до 106,14 млн. т у 2010 р. Це може бути досягнуте шляхом удосконалення і відновлення техніки і технологій вуглевидобутку. Основним засобом ведення очисних робіт на шахтах України є комплекси устаткування з механізованим крiпленням. Тому підвищення ефективності комплексно-механізованої технології очисних робіт є актуальною галузевою задачею.

В останні роки намітилися нові тенденції в розвитку засобів і технологій очисних робіт, якi обумовлені необхідністю підвищення ефективності взаємодії механізованого крiплення з нестійкими породами покрівлі на кінцевих ділянках лав.

В даний час накопичений значний досвід конструювання спеціального крiплення для нестійких порід покрівлі, у тому числі і для кінцевих ділянок очисних вибоїв. Пошук перспективних технологічних і технічних рішень орієнтований не тільки на модернізацію існуючого механізованого крiплення, але і на створення принципово нових засобів кріплення для кінцевих ділянок очисних вибоїв. Деяке з такого крiплення пройшло лабораторні, стендові і шахтні випробування, але його широке застосування стримується відсутністю науково обґрунтованих методів для визначення раціональних силових параметрів і режимів взаємодії з нестійкими породами. При цьому повинні враховуватися особливості протікання геомеханiчних процесів на кінцевих ділянках лав.

Виконаними раніше дослідженнями були встановлені закономірності прискорення геомеханiчних процесів у гірничому масиві, що полягають у зміні швидкості конвергенції вміщуючих порід при виконанні процесів очисного циклу. Однак, наявні залежності конвергенції вміщуючих порід необхідно уточнити з урахуванням високої швидкості посування очисного вибою. Крім того, недостатньо обґрунтовані кількісні критерії оцінки довжини зон на кінцевих ділянках високопродуктивних лав, де необхідно розміщати спеціальні засоби кріплення.

Таким чином, об'єктивно виникла необхідність у наукових дослідженнях, спрямованих на уточнення залежностей прискорення конвергенції бічних порід уздовж очисного вибою, що має високу швидкість посування, обґрунтування критерію довжини зон незадовільної взаємодії крiплення з гірничим масивом і розробку вимог до крiплення, що забезпечує збереження суцiльностi порід покрівлі на кінцевих ділянках високопродуктивних лав.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною наукових досліджень Інституту фізики гірничих процесів НАН України пов'язаних з дослідженням мiцнiсних і деформацiйних властивостей вміщуючих гірничих порід при моделюванні різних видів напруженого стану, які є вихідними даними для розробки способів управління станом гірничого масиву (№ ДР 0102U003845; № ДР 0100U002912).

Мета i задачi дослiдження. Метою роботи є підвищення ефективності комплексно-механізованої технології ведення очисних робіт шляхом обґрунтування довжини i раціональних режимiв кріплення кінцевих ділянок лав.

Для досягнення поставленої мети вирiшувались наступнi задачi:

- виконати шахтні інструментальні спостереження в умовах високої швидкості посування очисного вибою й одержати вихідні дані для установлення закономірностей зміни швидкостей конвергенції вмiщуючих порід уздовж лави;

- для умов високої продуктивності очисного вибою обґрунтувати кількісний критерій оцінки довжини кінцевих ділянок лави для розміщення на них спеціальних засобів кріплення;

- виконати моделювання взаємодії крiплення з вмiщуючими породами і установити раціональні силові параметри спеціальних засобів кріплення кінцевих ділянок лав;

- розробити i обґрунтувати технiчнi вимоги, умови застосування i ефективність спеціальних засобів кріплення кінцевих ділянок лав.

Ідея роботи полягає у використанні кількісного критерію прискорення конвергенції вміщуючих порід для встановлення довжини зон на кінцевих ділянках лав, де повинні розміщатися спеціальні засоби кріплення з раціональними силовими параметрами.

Об'єкт дослідження. Масив гірничих порід з очисною виробкою.

Предмет дослідження. Геомеханiчнi процеси в гірничому масиві поблизу очисної виробки.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої мети в роботі послідовно використані наступні методи: шахтні інструментальні спостереження в умовах високої швидкості посування очисного вибою для одержання вихідних даних до установлення закономірностей зміни швидкостей конвергенції вмiщуючих порід уздовж лави; метод групового облiку аргументiв (МГОА) для установлення залежностей i обгрунтування кiлькiсного критерiю довжини кiнцевих дiлянок лави; метод скiнчених елементiв (МСЕ) для моделювання взаємодії крiплення з вмiщуючими породами і встановлення раціональних силових параметрiв спеціальних засобів кріплення кінцевих ділянок лав.

Наукові положення, якi захищаються в дисертацiї:

1. При виконанні процесів очисної виїмки вугілля прискорення конвергенції бічних порід знакоперемiнне в момент пересування кріплення, а його абсолютні значення в середній частині і на кінцевих ділянках лави різні.

2. Зміна прискорення конвергенції порід уздовж лави характеризується його зменшенням на ділянці довжиною 20-30 м від сполучення з підготовчими виробками.

3. Раціональні величини питомого опору кріплення на кінцевих ділянках лав знаходяться в межах від 300 до 400 кН/м2, а довжини зон незадовільної взаємодії механізованого кріплення з покрівлею на сполученнях з підготовчими виробками визначаються зміною абсолютних значень прискорення конвергенції вмiщуючих порід.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Для умов високої швидкості посування лави встановлені нові залежності швидкості конвергенції покрівлі і пiдошви пласта уздовж очисного вибою при виконанні технологічних процесів очисного циклу. При цьому одержані чисельні значення прискорення конвергенції вмiщуючих порід у високопродуктивній лаві, що складають 0,005-0,045 мм/хв.2 на кінцевих ділянках і 0,045-0,055 мм/хв.2 у середній частині лави.

2. Вперше для умов високопродуктивних лав удосконалений кількісний критерій оцінки довжини кінцевих ділянок очисного вибою, що дозволяє визначити зони незадовільної взаємодії механізованого крiплення з покрівлею для розміщення на цих ділянках спеціальних засобів кріплення. При цьому уточнена довжина кінцевих ділянок, що складає 20-30 м у залежності від гірничо-геологічних умов і характеристик вмiщуючих порід.

3. Вперше встановлено, що на відміну від номінального робочого опору секцій механізованого кріплення в середній частині очисного вибою, для збереження суцiльностi нестійких порід покрівлі на кінцевих ділянках лави необхідно щоб питомий опір секцій кріплення був не менший 300 кН/м2 і не перевищував 400 кН/м2.

Обґрунтованість і достовiрнiсть наукових положень, висновків і рекомендацій доведена:

- теоретичними дослідженнями вивчених закономірностей поведінки порід покрівлі в привибiйному просторі лав, що базуються на коректному застосуванні методів моделювання і на основі апробованих допущень і аргументацій, які приведені у роботі;

- експериментальними дослідженнями процесів зсуву і руйнування порід, що уміщують вугільний пласт, із застосуванням сучасної апаратури і методики, а також статистичної обробки даних, які одержані на основі наукового планування шахтних експериментів і встановлення необхідного обсягу інформації, відносна помилка апроксимуючих моделей у полi фактичних даних не перевищує 15%.

Наукове значення одержаних результатiв полягає в установленні чітких закономірностей зміни швидкості конвергенції вмiщуючих порід уздовж лави для умов високої швидкості посування очисного вибою, подальшому розвитку і обґрунтуваннi кількісного критерію оцінки довжини кінцевих ділянок очисних вибоїв і встановлені нових чисельних значень прискорення конвергенції вмiщуючих порід уздовж високопродуктивного очисного вибою.

Практичне значення одержаних результатiв.

1. Визначено довжину зон незадовільної взаємодії механізованого крiплення з вмiщуючими породами на кінцевих ділянках високопродуктивних лав для розміщення в них спеціальних засобів кріплення.

2. Установленi силові параметри спеціальних засобів кріплення для зон з нестійкими породами покрівлі на кінцевих ділянках очисних вибоїв.

3. Розробленi технічні вимоги до механізованого крiплення для кінцевих лянок високопродуктивних очисних вибоїв.

Реалiзацiя висновкiв i рекомендацiй роботи. Розробленi i затвердженi "Технічні вимоги до спеціального крiплення для кінцевих ділянок лав" i "Методика комплексних інструментальних спостережень в очисних вибоях АП “Шахта ім. О.Ф.Засядька”. Очікуваний річний економічний ефект від впровадження результатiв дисертацiї складає 113,85 тис. грн. на одну лаву.

Особистий внесок здобувача. В роботах опублікованих у співавторстві внесок здобувача полягає у наступному: проаналізував тенденції розвитку технологій і наукових концепцій видобутку вугілля i засобiв крiплення кiнцевих дiлянок лав; обробив результати шахтних спостережень; встановив залежностi швидкостi конвергенцiї покрiвлi i пiдошви пласта уздовж очисного вибою, уточнив кiлькiсний критерій довжини кінцевих ділянок високопродуктивної лави; виконав моделювання взаємодії кріплення з вмiщуючими породами і установив рацiональнi величини питомого опору крiплення на кінцевих ділянках лави; проаналізував методи прогнозування і виконав розрахунок економічної ефективності.

Апробація результатiв дисертациiї. Основнi практичнi результати i науковi положення дисертаційної роботи доповідалися i схваленi на наукових семінарах Інституту фізики гірничих процесів НАН України (1999-2003 р.р), на Міжнароднiй конференції “Геотехнології на рубежі XXI століття” (м. Донецьк, 2001 р.), на VIII Міжнароднiй науково-технічнiй конференції “Машинобудування і техносфера на рубежі XXI століття” (м. Севастополь, 2001 р.), на Міжнароднiй конференції "Геодинаміка і напружений стан надр Землі" (м. Новосибірськ, 2003 р.).

Публікації. Основнi результати дисертації опублікованi в 9 наукових працях, з яких 6 у фахових наукових виданнях, затверджених ВАК України до публікації результатів дисертаційних робіт.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів і висновку, містить 19 рисункiв, 15 таблиць, список літератури з 142 найменувань і 4 додатка. Дисертація представлена у виді рукопису на 171 сторінцi.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ роботи присвячений аналізу тенденцій розвитку комплексно-механізованих технологій і наукових концепцій відпрацьовування вугільних пластів.

Значні теоретичні і практичні результати дослідження геомеханiчних процесів у гірничому масиві, розробки засобів кріплення очисних вибоїв одержані українськими і закордонними вченими, науково-дослідними і проектними iнститутами. Провідними організаціями в Україні з цих проблем є інститути Національної академії наук України - Геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова (м. Дніпропетровськ), Фізики гірничих процесів і Український державний науково-дослiдний i конструкторський iнситут гiрничої геологiї, геомеханiки i маркшейдерської ссправи (м. Донецьк); національні університети - Донецький технічний і Дніпропетровський гірничий, а також науково-досліднi i проектнi інститути - Донвугi, Гірничої механіки ім. М.М. Федорова, "Дондiпровуглемаш" (м. Донецьк), МакНДI (м. Макіївка) та ін. Результати виконаних досліджень знайшли впровадження на шахтах ім. О.Ф. Засядька, "Червоноармійська-Західна № 1", "Краснолиманська", "Комсомолець Донбасу", ім. В.М.Бажанова та ін.

Аналіз сучасних тенденцій, технологій і наукових концепцій відпрацьовування вугільних пластів показав, що на кінцевих ділянках лав механізоване кріплення не забезпечує ефективну взаємодію з вмiщуючими породами і його застосування в цих зонах малоефективне.

В науці і практиці вуглевидобутку накопичений досвід конструювання спеціального крiплення для нестійких порід покрівлі, у тому числі і для кінцевих ділянок лав. Однією з найбільш важливих задач у цьому плані є забезпечення ефективної взаємодії кріплення з вмiщуючими породами. При цьому повинні враховуватися особливості протікання геомеханiчних процесів на кінцевих ділянках лав.

В останні роки були виконані роботи з встановлення особливостей протікання геомеханiчних процесів у породному масиві на кінцевих ділянках лав. Однак, аналіз наявних у науково-технічній літературі вiдомостей показав, що дотепер не обґрунтований критерій оцінки довжини кінцевих ділянок лав з високою швидкістю посування вибою. Тому не уявляється можливим обґрунтувати раціональні силові параметри і режими взаємодії механізованого крiплення з породним масивом на кінцевих ділянках очисних вибоїв, чим стримуються роботи з удосконалення існуючих і створення нових засобів кріплення кінцевих ділянок високопродуктивних лав. Виходячи з цього сформульовані мета i задачі дисертаційної роботи.

В другому розділі викладені методика і результати шахтних інструментальних спостережень в умовах високої швидкостi посування очисного вибою.

Розроблена i затверджена "Методика комплексних інструментальних спостережень в очисних вибоях АП "Шахта ім. О.Ф. Засядька". Ціль шахтних інструментальних спостережень - одержання вихідних даних для уточнення закономірностей швидкості геомеханiчних процесів у гірничому масиві уздовж лави в умовах високої швидкості посування очисного вибою.

Комплексні інструментальні спостереження проводилися у 9-й західній лаві пласта l1 у липні 2001 р. Спостереження виконувалися безупинно протягом 80 робочих змін, чи близько 480 годин, у 76 місцях дислокації замірної станції (рис. 1).

Посування лави за цей період склало 129,6 м, було виконано більш 200 повних очисних циклів і видобуто 94155 т вугілля. Обсягу одержаної інформації досить для установлення закономірностей протiкання геомеханiчних процесів у породному масиві від технологічних операцій в очисному вибої з максимальною відносною помилкою 0,1 і довірчою імовірністю 0,9.

Шахтні інструментальні виміри показали, що при наближенні зони виїмки і кріплення до замірної станції на відстань близько 10-15 м, швидкість опускання покрівлі починає збільшуватися. Найбільше її значення спостерігається в період виконання процесів виїмки і кріплення в безпосередній близькості від замірної станції. Далі в міру віддалення зони виконання технологiчних операцій від замірної станції швидкість опускання покрівлі убуває і стабілізується на рівні 0,02-0,05 мм/хв.

Одержані в результаті шахтних спостережень дані дозволяють уточнити залежності швидкості конвергенції покрівлі і пiдошви пласта уздовж лави для умов високої швидкості посування очисного вибою.

У третьому розділі за допомогою методу групового обліку аргументів (МГОА) установлені залежності конвергенції вмiщуючих порід на різних ділянках лави й обґрунтований кількісний критерій оцінки довжини кінцевих ділянок лав для розмiщення на них спецiальних засобiв крiплення.

Вихідні дані групувалися в масиві аргументів t(n, f) і факторів h(n). Масиви фак торів містять показання індикаторів годинникового типу IГТ-0,01, зафіксовані під час шахтних спостережень, а масиви аргументів - відповідні їм значення часу.

Усього було сформовано 152 таких масивів - по 2 масиви для кожного місця дислокації замірної станції в лаві (один масив містив показання IГТ-0,01 до пересування замірної станції, другий - після пересування).

За допомогою МГОА встановлені залежності конвергенції вмiщуючих порід (h, мм) від часу (t, хв.) на різних ділянках лави. Усього було одержано 76 систем рівнянь, найбільш характерні з яких, представлені в табл. 1. Ці рівняння формалізують процес конвергенції вмiщуючих порід уздовж очисного вибою, що має високу швидкість посування. Деякі характерні графіки одержаних залежностей

Шляхом послідовного диференціювання цих залежностей обчислені значення прискорення конвергенції вмiщуючих порід (a, мм/хв.2) уздовж лави.

Абсолютні значення прискорення конвергенції вмiщуючих порід у середній частині лави змінюються незначно, а на кінцевих ділянках вони зменьшуються. Значення прискорення конвергенції порід для умов високої швидкості посування очисного вибою складають 0,045-0,055 мм/хв2 у середній частині лави і зменшуються від 0,045 до 0,005 мм/хв2 на кінцевих ділянках. При цьому їхня довжина біля виробок, що примикають до цілика, складає близько 20 м, до виробленого простору - близько 30 м.

Таким чином, уточнений кількісний критерій довжини кінцевих ділянок і довжина таких ділянок для умов високопродуктивного очисного вибою. На цих ділянках необхідно застосовувати спеціальне кріплення, яке відрізняється силовими параметрами від традиційного механізованого крiплення.

У четвертому розділі за допомогою методу скінчених елементів (МСЕ) виконане моделювання взаємодiї крiплення з вмiщуючими породами і установлені рацiональнi силові параметри спецiальних засобів кріплення кiнцевих дiлянок лав.

Розроблена геомеханiчна модель гірничого масиву, що дозволяє за допомогою МСЕ імітувати умови взаємодії кріплення в очисному вибої з породами, що уміщують вугільний пласт, (рис. 3). Геомеханiчна модель являє собою вертикальний розріз від земної поверхні до глибини H. Горизонтальний розмір моделі приймається 300 м.

Моделювалося відпрацювання пологого вугільного пласта товщиною до 2,0 м на глибині близько 1000 м. В основній покрівлі пласта залягають породи категорії А2, чи А3, товщина яких варіюється в моделях із кроком 0,5 м. Безпосередня покрівля відноситься до категорії Б2 чи Б3 і її товщина варіюється в моделях із кроком 0,5 м. Пiдошва складається породами категорії П2-3. Вихідні дані максимально наближені до гірничо-геологічних умов 9-ї західної лави пласта l1 АП “Шахта ім. О.Ф.Засядька”.

Фізико-механічні характеристики моделюємого масиву відповідають показникам нестійких і малостійких порід на кінцевій ділянці лави.

Розрахунки показали, що при опорі кріплення 250 кН/м2 і нижче в безпосередній покрівлі виникають розтягуїчі напруження, якi перевищують межі міцності порід і викликають руйнування безпосередньої покрівлі.

Часткове порушення суцiльностi порід відбувається при опорі кріплення менше 300 кН/м2 в умовах порід категорії Б3 і аналогічні руйнування відбуваються при опорі кріплення 400 кН/м2 в умовах нестійких покрівель, що відносяться до категорії Б2. При опорі кріплення 400 кН/м2 і вище в безпосередній покрівлі виникають стискаючі напруження, під дією яких породи також руйнуються.

Таким чином, завищений (більш 400 кН/м2) чи занижений (менш 300 кН/м2) опір кріплення викликає втрату стійкості безпосередньої покрівлі і вивали породи на кінцевій ділянці лави. Для ефективної роботи кріплення в умовах нестійких порід покрівлі на кінцевій ділянці лави необхідно забезпечити режим раціональних силових параметрів.

У п'ятому розділі розробленi i обґрунтовані технічні вимоги, умови застосування i економічна ефективність спеціальних засобів для кріплення кінцевих ділянок лав.

Шахтні натурні спостереження в діючих очисних вибоях і моделювання умов взаємодії привибiйного кріплення з вміщуючими породами дозволили виявити причини незадовільної роботи механізованого крiплення на кінцевих ділянках очисних вибоїв.

При пересуваннi кріплення виникає топтання покрівлі, яке обумовлене зняттям розпору гідравлічних стійок для переміщення секції на нове місце і її розпір із зусиллям, що відповідає початковому опору кріплення.

Топтання покрівлі, яке обумовлене східчастою піддатливістю кріплення, не припиняється в проміжки часу між пересуваннями секцій. Виникаючий при цьому надлишок енергії в системі "крiплення-породний масив" руйнує нестійкі породи покрівлі на кінцевих ділянках лави. Тобто, існує подвійне топтання покрівлі з боку привибiйного кріплення, як при його пересуванні, так і в статичному положенні.

Моделювання умов взаємодії привибiйного кріплення з вміщуючими породами на кінцевих ділянках лави показало, що при опорі кріплення більше 400 кн/м2 відбувається роздавлювання нижніх пластів покрівлі під впливом стискаючих напружень, що перевищують межу міцності порід на стиск. При опорі кріплення менше 300 кН/м2 породи руйнуються пiд впливом розтягуючих напружень, які перевищують їхню межу міцності на розтягання. Тобто, при завищеному, чи заниженому опорі кріплення збільшується імовірність вивалів породи на кінцевих ділянках очисних вибоїв.

Механізоване кріплення, як будь-які гідравлічні системи, відрізняється низькою швидкодією, що обумовлює значні витрати часу на пересування секцій і оголення порід безпосередньої покрівлі.

З аналізу шахтних натурних спостережень і моделювання взаємодії привибiйного кріплення з вміщуючими породами випливає, що секції механізованого кріплення на кінцевих ділянках лави повинні працювати в режимі безступінчастої піддатливості і не допускати топтання покрівлі в періоди між її пересуваннями. При цьому, крiплення повинне переміщатися без втрати контакту з покрівлею і не допускати топтання при пересуванні. Для виключення тривалих за часом і значних за площею оголень покрівлі необхідно, щоб механізм пересування кріплення мав високу швидкодію.

Режим взаємодії механізованого гідравлічного крiплення з бічними породами обумовлюється не тільки конструктивними особливостями гідросистеми, але і характеристиками робочої рідини. Якщо рідина в'язка, то спрацьовування запобіжних клапанів відбувається з запізнюванням, що знижує піддатливість гідросистеми і негативно позначається на взаємодії кріплення з нестійкими породами покрівлі. Тому логічним буде припущення, що зниження в'язкості робочої рідини сприятливо позначиться на збереженні суцiльностi нестійких порід покрівлі. За участю автора дисертації розроблений "Універсальний порошкоподібний технологічний гідравлічний засіб (УПТГЗ)". За результатами дослідно-промислової преревiрки УПТГЗ на шахтах iм. О.Ф.Засядька та iм. О.О.Скочинського можна зробити попередні висновки про позитивний вплив характеристик робочої рідини УПТГЗ на силові параметри і режими взаємодії кріплення з бічними породами.

Розробленi і затверджені "Технічні вимоги до механізованого крiплення для кінцевих ділянок лав". Виконання цих вимог дозволить не допустити розшарування і руйнування порід, та запобігти вивалоутворенню і забезпечить підвищення ефективності комплексно-механізованої технології очисних робіт.

Виконаний розрахунок техніко-економічної ефективності застосування спеціальних засобів кріплення кінцевих ділянок лав. Величина очікуваного річного економічного ефекту від упровадження нової технології виїмки вугілля механізованим комплексом МКД90 зі спеціальним крiпленням на кінцевих ділянках 9-ї західної лави пласта l1 складає 113,85 тис. грн.

В даний час розроблені і пройшли різні стадії випробувань кілька конструкцій механізованого крiплення, що задовольняють деяким вимогам до крiплення для кінцевих ділянок лав. В дисертацiї проаналізовані конструкції такого крiплення і виявлені найбільш перспективні технічні рішення.

Спеціальне кріплення для кінцевих ділянок лав має широку перспективу їх застосування на шахтах України і за кордоном. Щорічний обсяг застосування такого крiплення тільки на шахтах Донецького вугільного басейну складає більш 1200 секцій на рік.

ВИСНОВКИ

Дисертацiя є закiнченою науково-дослiдною роботою, в якiй подано нове рішення актуальної наукової задачі, що полягає в установленні чітких закономірностей зміни швидкості конвергенції вміщуючих порід уздовж високопродуктивного очисного вибою для обґрунтування кількісного критерію довжини зон незадовільної взаємодії механізованого крiплення з покрівлею і встановлення раціональних силових параметрів спеціальних засобів кріплення кінцевих ділянок лав з високою швидкістю посування вибою.

Основні наукові результати i висновки, які одержанi при виконаннi роботи, полягають у наступному:

1. За результатами шахтних інструментальних спостережень і чисельного моделювання умов взаємодії привибiйного кріплення з нестійкими вміщуючими породами виявлені причини незадовільної роботи секцій механізованого крiплення на кінцевих ділянках очисного вибою. До таких причин відносяться ступінчата піддатливість кріплення в статичному стані і при пересуванні, а також не відповіаючий раціональним параметрам опір секцій кріплення. Після проходу комбайна на відстані 1,2-1,6 м від грудей вибою лави в безпосередній покрівлі виникають розтягуючі напруження, що приводять до розкриття тріщин і створюють умови для порушення суцiльностi порід і вивалоутворення у привибiйному просторі.

2. Шахтні спостереження у високопродуктивному очисному вибої показали, що швидкість опускання покрівлі при відсутності впливу очисних робіт складає близько 0,02-0,05 мм/хв. При наближенні ділянки виїмки вугілля і кріплення на відстань близько 10-15 м швидкість опускання покрівлі починає швидко збільшуватися. В міру віддалення ділянки виїмки вугілля і кріплення швидкість опускання покрівлі починає убувати і приймає вихідні значення. Одержані в результаті шахтних спостережень дані дозволили уточнити залежності швидкості конвергенції покрівлі і пiдошви пласта уздовж лави для умов високої швидкості посування очисного вибою.

3. Установлені залежності конвергенції вміщуючих порід (h, мм) від часу (t, хв.) на різних ділянках високопродуктивної лави. Шляхом послідовного диференціювання цих залежностей обчислені значення прискорення конвергенції вміщуючих порід (a, мм/хв.2) уздовж лави. Абсолютне прискорення конвергенції вміщуючих порід у середній частині лави змінюється незначно (близько 20%), складаючи в середньому 0,045-0,055 мм/хв2, а на кінцевих ділянках лави воно змінюється майже на порядок (0,005-0,045 мм/хв2).

4. Виконані дослідження підтвердили припущення, що абсолютне значення прискорення конвергенції вміщуючих порід є критерієм оцінки довжини кінцевих ділянок лави. Уточнено значення довжини таких ділянок для очисного вибою з високою швидкістю посування. Їхня довжина біля виробок, що примикають до цілика, складає близько 20 м, до виробленого простору - близько 30 м. На цих ділянках секції механізованого кріплення не працюють у режимі номінального опору, тому на кінцевих ділянках необхідно застосовувати спеціальне кріплення.

5. Виконаний аналіз і порівняння фізичних, аналітичних і чисельних методів моделювання об'єктів гірничої геомеханiки. Показано, що для імітування взаємодії привибiйного кріплення з породним масивом найбільш прийнятний метод скінчених елементів. Цей метод менш трудомісткий у порівнянні з фізичним моделюванням і більш точний, тому що виключає застосування масштабних коефіцієнтів і імітує реальні умови протікання геомеханiчних процесів.

6. Розроблена модель гірничого масиву для моделювання умов взаємодії механізованого кріплення з вміщуючими породами на кінцевих ділянках очисних вибоїв на ЕОМ за допомогою методу скінчених елементів. Модель відрізняється врахуванням широкого діапазону фізико-механічних характеристик порід.

7. У результаті моделювання умов взаємодії привибiйного кріплення з вміщуючими породами на кінцевих ділянках лави встановлено, що питомий опір секцій кріплення на цих ділянках, що забезпечує ефективну взаємодію з породами безпосередньої покрівлі, з урахуванням гірничо-геологічних умов залягання пласта і фізико-механічних характеристик масиву порід, складає від 300 до 400 кн/м2.

8. Розробленi і затверджені "Технічні вимоги до спеціального крiплення для кінцевих ділянок лав", виконання яких дозволяє підвищити ефективність комплексно-механізованої технології ведення очисних робіт за рахунок забезпечення раціональних силових параметрів спеціальних засобів кріплення.

9. Виконаний i затверджений "Розрахунок економічного ефекту від впровадження засобів механізації технології виїмки вугілля механізованим комплексом зі спеціальним кріпленням для кінцевих ділянок лави". Величина очікуваного річного економічного ефекту від впровадження нової технології виїмки вугілля механізованим комплексом зі спеціальним крiпленням на кінцевих ділянках складає 113,85 тис. грн. на одну лаву.

Науковi положення i основні результати дисертації опубліковані в наступних роботах автора:

1. Филимонов П.Е. Моделирование взаимодействия механизированных крепей с вмещающими породами методом конечных элементов // Фiзико-технiчнi проблеми гiрничого виробництва. - Донецьк. - 2001. - Вып. 4 .- С. 149-157.

2. Филимонов П.Е. Формализация процесса конвергенции вмещающих пород в высокопроизводительном очистном забое // Геотехническая механика. Сб. научн. тр. ИГТМ НАНУ. - 2004. - Вып. 48. - С. 153-163.

3. Филимонов П.Е., Антипов В.И. Методы моделирования объектов горной геомеханики // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений. Сб. научн. тр.- Донецк: ООО "Норд Компьютер", 2002.- С. 20-21.

4. Антипов И.В., Филимонов П.Е., Щербинин Д.В. Мировые рынки угля и техника для очистных забоев // Геотехнологии на рубеже ХХI века.-Донецк: 2001.- ДУНПГО. Т. 1.- С. 25-31.

5. Звягильский Е.Л., Филимонов П.Е., Антипов И.В., Щербинин Д.В. Ускорение конвергенции вмещающих пород в очистных забоях // Уголь Украины.- 2002.- № 8.- С. 33-36.

6. Антипов И.В., Филимонов П.Е., Грядущий В.Б., Гатауллин Н.Н. Шахтные исследования и моделирование геомеханических процессов / Геотехническая механика.. Сб. научн. тр. ИГТМ НАНУ. - 2003. - Вып 30. - С. 160-165.

7. Ильчишин О.В., Филимонов П.Е., Антипов И.В. Промышленные испытания новой рабочей жидкости для механизированных крепей // Фiзико-технiчнi проблеми гiрничого виробництва. - Донецьк. - 2001. - Вып. 4. - С. 78-82.

8. Antypov I., Filimonov P., Shcherbinin D. Finite Element Method in geomechanics // Известия Донецкого горного института: Всеукраинский научно-технический журнал горного профиля.- Донецк: ДонНТУ. - 2001. - № 1. - С. 86-88.

9. Грiньов В.Г., Конiщева Н.Й, Филимонов П.Є., Трушкiна Н.В. Прогнозування показникiв дiяльностi пiдприємства вугiльної промисловостi // Економiка примисловостi.- 2003.- № 3.- С. 85-99.

Особистий внесок автора в роботах опублікованих у співавторстві:

- проаналізував тенденції розвитку технологій і наукових концепцій видобутку вугілля i засобiв крiплення кiнцевих дiлянок лав [4];

- обробив результати шахтних спостережень [5, 6, 7];

- встановив залежностi швидкостi конвергенцiї покрiвлi i пiдошви пласта уздовж очисного вибою, уточнив кiлькiсний критерій довжини кінцевих ділянок високопродуктивної лави [5];

- виконав моделювання взаємодії кріплення з вмiщуючими породами і установив рацiональнi величини питомого опору крiплення на кінцевих ділянках лави [3, 6, 8];

- проаналізував методи прогнозування і виконав розрахунок економічної ефективності [7, 9].

АНОТАЦІЯ

Филимонов П.Є. Обґрунтування довжини і раціональних режимів кріплення кінцевих ділянок лав - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.02 - "Пiдземна розробка родовищ корисних копалин".- Iнститут фiзики гiрничих процесiв НАН України, Донецьк, 2004 р.

Установлені залежності конвергенції вміщуючих порід від часу на різних ділянках високопродуктивної лави. Шляхом послідовного диференціювання цих залежностей обчислені значення прискорення конвергенції порід, що вміщають, (a, мм/хв.2) уздовж лави. Абсолютне прискорення конвергенції вміщуючих порід у середній частині лави змінюються незначно, складаючи в середньому 0,045-0,055 мм/хв2, на кінцевих ділянках лави вони змінюється від 0,005 до 0,045 мм/хв2.

Установлено, що при виконанні процесів очисної виїмки вугілля прискорення конвергенції бічних порід знакозмінне в момент пересування кріплення, а його абсолютні значення в середній частині і на кінцевих ділянках лави різні.

Обґрунтовано кількісний критерій оцінки довжини кінцевих ділянок високопродуктивних лав. За допомогою цього критерію визначається довжина зон незадовільної взаємодії механізованого крiплення з покрівлею на кінцевих ділянках лав для розміщення в цих зонах спеціальних засобів кріплення.

Установленi раціональні значення питомого опору кріплення для збереження суцiльностi порід покрівлі на кінцевих ділянках лави з високою швидкістю посування вибою.

Величина очікуваного річного економічного ефекту від впровадження нової технології виїмки вугілля механізованим комплексом зі спеціальної кріпленням на кінцевих ділянках складає 113,85 тис. грн. на одну лаву.

Ключовi слова: шахта, лава, крiплення, геомеханiчнi процесси, конвергенцiя, прискорення.

АННОТАЦИЯ

Филимонов П.Е. Обоснование протяженности и рациональных режимов крепления концевых участков лав. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.02 - "Подземная разработка месторождений полезных ископаемых".- Институтфизики горных процессов НАН Украины, Донецк, 2004 г.

Разработана и утверждена "Методика комплексных инструментальных наблюдений в очистных забоях АП “Шахта им. А.Ф.Засядько”. Цель шахтных инструментальных наблюдений - получение исходных данных для уточнения закономерностей скорости геомеханических процессов в горном массиве вдоль лавы в условиях высокой скорости подвигания очистного забоя.

Комплексные инструментальные наблюдения проводились в высокопроизводительной 9-й западной лаве пласта l1 в июле 2001 г. Наблюдения выполнялись непрерывно в течение 80 рабочих смен, или около 480 часов, в 76 местах дислокации замерной станции. Подвигание лавы за этот период составило 129,6 м, было выполнено более 200 полных очистных циклов.

Шахтные наблюдения в высокопроизводительном очистном забое показали, что скорость опускания кровли при отсутствии влияния очистных работ составляет около 0,02-0,05 мм/мин. При приближении участка выемки угля и крепления на расстояние около 10-15 м скорость опускания кровли начинает быстро увеличиваться. По мере удаления участка выемки угля и крепления скорость опускания кровли начинает убывать до 0,02-0,05 мм/мин. Полученные в результате шахтных наблюдений данные позволили уточнить зависимости скорости конвергенции кровли и почвы пласта вдоль лавы при выемке угля и креплении для условий высокой скорости подвигания очистного забоя.

Установлено, что при выполнении процессов очистной выемки угля ускорение конвергенции боковых пород знакопеременно в момент передвижки крепи, а его абсолютные значения в средней части и на концевых участках лавы различны.

Установлены зависимости конвергенции вмещающих пород (h, мм) от времени (t, мин.) на разных участках высокопроизводительной лавы. Путем последовательного дифференцирования этих зависимостей вычислены значения ускорения конвергенции вмещающих пород (a, мм/мин.2) вдоль лавы. Абсолютные значения ускорения конвергенции вмещающих пород в средней части лавы изменяются незначительно, составляя в среднем 0,045-0,055 мм/мин2, на концевых участках лавы они изменяется в значительных пределах - от 0,005 до 0,045 мм/мин2.

Обоснован количественный критерий оценки протяжённости концевых участков высокопроизводительных лав. С помощью этого критерия определяется протяженность зон неудовлетворительного взаимодействия механизированных крепей с кровлей на концевых участках лав для размещения в этих зонах специальных средств крепления. Уточнены значения протяженности таких участков для очистного забоя с высокой скоростью подвигания. Их длина около выработок примыкающих к целику составляет около 20 м, к выработанному пространству - около 30 м.

Разработана модель горного массива для имитирования условий взаимодействия механизированной крепи с вмещающими породами на концевых участках очистных забоев на ЭВМ с помощью метода конечных элементов. Модель отличается широким диапазоном учитываемых физико-механических характеристик пород, корректной постановкой начальных условий, обеспечиваемых условием сохранения постоянных геостатических напряжений на границах.

В результате моделирования условий взаимодействия призабойной крепи с вмещающими породами на концевых участках лавы установлено, что удельное сопротивление секций крепи на этих участках, обеспечивающее эффективное взаимодействие с породами непосредственной кровли, с учетом горно-геологических условий залегания пласта и физико-механических характеристик массива пород, составляют от 300 до 400 кН/м2.

Разработаны и утверждены "Технические требования к специальным крепям для концевых участков лав", выполнение которых позволяет повысить эффективность комплексно-механизированной технологии ведения очистных работ за счет обеспечения рациональных силовых параметров специальных средств крепления.

Выполнен расчет технико-экономической эффективности применения специальных средств крепления концевых участков лав. Величина ожидаемого годового экономического эффекта от внедрения новой технологии выемки угля механизированным комплексом со специальной крепью на концевых участках составляет 113,85 тыс. грн. на одну лаву.

Ключевые слова: шахта, лава, крепление, геомеханические процессы, конвергенция, ускорение.

SUMMARY

Filimonov P. Substantiation of extension and rational modes of longwall end sites timbering. - Manuscript.

Thesis for Cand.Tech.Sci. by specialty 05.15.02 - "Underground mining of mineral deposits".- Institute of Physics of Rock Processes of NAS of Ukraine, Donetsk, 2004.

It is established, that at performance of processes of coal mining acceleration of bearing strata convergence variable-polarity during the moment of support travel, and its absolute values in an average part and on end sites of longwall are various.

Dependences of bearing strata convergence acceleration on mining coal and fastening along longwall with high speed face travel are established.

The quantitative criterion of high-efficiency longwalls end sites extent is proved.

With the help of this criterion extent of unsatisfactory interaction mechanized supports with a roof on end sites zones of longwalls is determined for accommodation in these zones of fastening special means.

Rational values of specific resistance support for preservation of roof breeds continuousness on end sites of longwall with high speed face shift are established.

Technical requirements to mechanized supports for the end sites of high-efficiency longwalls are developed.

Key words: mine, longwall, fastening, geomechanical processes, convergence, acceleration.

Размещено на Allbest.ru

...