Підвищення стійкості кріплень горизонтальних гірничих виробок за рахунок використання пружних елементів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Підвищення стійкості кріплень горизонтальних гірничих виробок за рахунок використання пружних елементів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Проходка гірничих виробок та їх кріплення є одним з важливих технологічних процесів при підземному видобуванні залізної руди. Кріплення капітальних та підготовчих виробок є найбільш складним і трудомістким процесом в циклі гірничопрохідницьких робіт.

Вартість кріплення складає 30-60% вартості виробки, а її зведення займає 30-50% витрат при проведенні виробки за допомогою буровибухових робіт. Ефективність кріплення залежить від різних факторів, в тому числі від виду і якості забутовочних матеріалів.

Забутовка закріпного простору відіграє особливу роль у формуванні навантажень на кріплення. Результат впливу забутовки на несучу спроможність кріплення неоднозначний і залежить від контуру, розмірів та конструкції кріплення. Традиційно в умовах Кривбасу в якості забутовочного матеріалу використовується деревина, фізичні властивості якої призводять до нерівномірного навантаження на кріплення, до появи значних пустот між кріпленням та гірським масивом. Тому доцільно заповнювати простір між затяжкою кріплення та гірським масивом матеріалом, який забезпечує більш рівномірне навантаження кріплення, збільшує його податливість, а також повністю виключає можливість утворення пустот. Пружні елементи з відпрацьованих автомобільних шин, маючи високу пластичність (до 80% усадки), достатню міцність (до 4 МПа), стійкість до дії агресивного шахтного середовища (не піддаються гниттю, розчиненню, корозії), невелику вагу, є більш дешевим та довговічним замінником деревини.

При використанні забутовочного матеріалу з пружних матеріалів - елементів відпрацьованих автомобільних шин - вирішується комплекс технічних, економічних та соціально-екологічних питань: економляться дефіцитна деревина, запаси якої обмежені і можуть відновлюватись протягом багатьох років, створюються передумови до повторного використання забутовочного матеріалу, зменшується забруднення навколишнього середовища.

Тому розробка і обґрунтування ефективних засобів підвищення довговічності податливих арочних кріплень відкотних виробок та кріплень сполучень випускних дучок з виробками приймального горизонту залізорудних шахт є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконані згідно до тематичного плану науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України відповідно до приоритетного напрямку розвитку науки і техніки «Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології».

Мета і задачі дослідження:

Мета дисертаційної роботи полягає в розробці і науковому обґрунтуванні ефективних засобів підвищення стійкості податливих арочних кріплень відкотних виробок та кріплень сполучень випускних дучок з виробками приймального горизонту залізорудних шахт.

Ідея роботи полягає у використанні деформаційних властивостей пружного матеріалу з відпрацьованих автомобільних шин у якості забутовки і футерівки для підвищення стійкості та довговічності кріплень.

Об'єктом досліджень є стійкість протяжних гірничих виробок, які закріплені металевим арочним кріпленням.

Предмет досліджень - взаємодія пружної забутовки з іншими елементами арочного металевого кріплення гірничих виробок.

Основні задачі досліджень:

- встановити закономірності деформування пружного матеріалу при статичних та динамічних навантаженнях;

- дослідити процес укладання забутовочного матеріалу і обґрунтувати технологію виконання забутовки і футерівки пружними елементами;

- провести промислові дослідження засобів та способів забутовки відкотних виробок та футерівки лобовини у випускних вікнах виробок скреперної доставки руди пружними елементами;

- розробити технологічні рекомендації з використання пружних елементів в якості забутовки і футерівки при спорудженні кріплень гірничих виробок.

Методи досліджень - при виконанні дисертаційної роботи використаний комплексний метод, який містить: аналіз і узагальнення літературних джерел та виробничого досвіду щодо видів забутовочних матеріалів та способів забутовки закріпного простору - при виборі й обґрунтуванні напрямку досліджень; методи математичного моделювання, натурні спостереження та експериментальні дослідження. Експериментальні методи дослідження використані для підтвердження теоретичних висновків, методи економічного аналізу - при оцінці ефективності запропонованих рішень.

Основні наукові положення і результати, що захищаються в дисертації:

1. Прогин плит-затяжок металевого арочного кріплення із забутовкою закріпного простору пружними елементами має лінійну залежність від величини зовнішнього навантаження, обумовлений процесом стискання та перегрупування контактних поверхонь окремих пружних елементів, і менший в 2,1 рази порівняно з забутовкою деревиною, що дозволяє збільшити термін служби кріплення під дією статичних навантажень в 1,5 рази, а під дією динамічних навантажень в 1,3 рази.

2. Підвищення стійкості відкотних виробок забезпечується використанням пружних елементів в якості забутовки закріпного простору, деформація яких має лінійну залежність від часу і вище в 2,5 рази ніж у деревини, що дозволяє використовувати запропоновані засоби для гірничогеологічних умов залізорудних шахт Кривбасу.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше розроблена математична модель системи «забутовка - кріплення», що дозволяє встановити мінімальну товщину укладки пружних елементів при заповненні ними закріпного простору.

2. Вперше введений коефіцієнт податливості конструкції забутовки і затяжки, що враховує фізичні властивості забутовочного шару і дозволяє збільшити стійкість кріплення при використанні забутовки з пружних елементів.

3. Вперше встановлено, що при футеруванні лобовини пружними елементами у випускних вікнах виробок скреперної доставки руди швидкість опускання арок кріплення знижується в 2 рази, що дозволяє збільшити податливість рам кріплення з футерівкою лобовини у 2 рази, ніж у рам кріплень без футерівки.

Наукове значення полягає у встановлені закономірностей взаємодії пружних елементів забутовки з кріпленням виробки.

Практичне значення роботи полягає в розробці:

- нових паспортів кріплення відкотних горизонтальних виробок та виробок горизонту випуску і доставки руди;

- установки для виготовлення забутовочних елементів різних розмірів;

- раціональних способів укладки пружних елементів із відпрацьованих шин в закріпний простір;

- способу захисту лобовини від ударних навантажень футеруванням лобовини пружними елементами.

Достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій дисертаційної роботи підтверджена обгрунтовністю прийнятих вхідних передумов, методів досліджень, що опираються на фундаментальні математичні закони, відповідністю теоретичних та експериментальних робіт, надійністю статистично значимого об'єкту лабораторних та виробничих досліджень, адекватною імітацією процесів, що забезпечують можливість відображення реальних технологічних операцій та явищ з необхідним ступенем деталізації, апробацією отриманих результатів в промислових умовах, позитивними результатами впровадження в умовах діючих шахт Кривбасу.

Реалізація результатів досліджень. Результати досліджень впроваджені на шахтах ВАТ КЗРК: ім. Леніна (гор. 1275 м), ш. «Гвардійська» (гор. 1350 м), ш. «Октябрьская» (гор. 1190 м), ш. «Батьківщина» (гор. 1315 м) - в якості забутовки були використані відпрацьовані автошини в кількості 908 штук, загальна протяжність забутовки склала 58 п.м., в якості футерівки лобовини - для спряжень виробок приймального горизонту з випускними дучками на ш. «Юбилейная» ЗАТ «Суха Балка» (гор. 1100 м).

Загальний економічний ефект від використання пружних елементів становить 63699 грн., де: економічний ефект від впровадження результатів досліджень з використання пружних елементів в якості футерівки лобовини склав 57595,68 грн. за рік, в якості забутовки - 6103,4 грн.

Особистий внесок здобувача. Автором сформульовані мета і задачі досліджень, ідея роботи, основні наукові положення, висновки і рекомендації, проведене математичне моделювання, обрані методи аналітичних досліджень.

Автор приймала безпосередню участь у плануванні методики і виконанні лабораторних і теоретичних досліджень, упроваджені результатів у виробництво.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були докладені, обговорені і схвалені на міжнародних науково-технічних конференціях «Форум гірників» у Національному гірничому університеті в 2002 та 2003 рр. (м. Дніпропетровськ), на науково-технічних конференціях «Проблеми розвитку Криворізького залізорудного басейну» Криворізького технічного університету в 2000-2003 рр. (м. Кривий Ріг), на засіданнях кафедри будівельних геотехнологій КТУ, на технічних радах ВАТ КЗРК та ЗАТ «Суха Балка».

Публікації. За темою дисертації опубліковано 9 наукових робіт, у тому числі: 6 - у фахових виданнях, 1 - у збірниках матеріалів науково-технічних конференцій, 2 патенти на винахід.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел із 118 найменувань і 10 додатків. Загальний обсяг дисертації - 167 сторінки, із них основний текст - на 144 сторінках, що містить 20 таблиць та 40 рисунків.

Основний зміст роботи

деформування виробка забутовка руда

Для підтримання гірничих виробок сучасних гірничорудних шахт Кривбасу застосовують залізобетонні, набризкбетонні, анкерні та металеві кріплення. Найбільш поширеним з них є податливе арочне металеве кріплення, яке використовується для підтримання близько 80% виробок. Найчастіше до них відносяться виробки доставки, відкоточні штреки, орти-заїзди, та ін. Застосування металевого податливого кріплення протягом тривалого часу показало, що воно не завжди забезпечує стійкість виробок протягом потрібного часу їх експлуатації. Тому виникла потреба пошуку нових способів і матеріалів, що підвищують стійкість та подовжують термін служби гірничих виробок.

Питаннями стійкості кріплень займалося багато науково-дослідних інститутів та установ, таких як ВНДІШБ, ІГД ім. Скочинського, ДонУГІ, ПНІУІ, НІДОГР, НДГРІ, ІГТМ, НГУ та інш. У науковій літературі відома велика кількість робіт, присвячених дослідженням збільшення стійкості кріплень. Це роботи Амусина Б.З., Гребьонкіна С.С., Дружко Е.Б., Долгого І.Є., Заславського Ю.З., Каретнікова В.М., Коскова І.Г., Кошелева К.В., Мосткова В.М., Ніконця В.І., Огородникова Ю.М., Протосені О.Г., Роєнка А.М., Томасова О.Г., Харитонова В.Ф., Усан-Подгорнова Б.М., Усаченка Б.М., Шашенка О.М. та інш.

Однак, існуючі способи і види забутовочних матеріалів не дозволяють вирішити задачу забезпечення стійкості кріплень на заданий термін служби. Забутовочні матеріали та способи їх укладки за кріплення відіграють особливу роль у формуванні навантажень на кріплення. Змінюючи технологічні та конструктивні параметри кріплення можна впливати на його податливість.

Відповідно до поставлених задач для гірничо-геологічних умов Кривбасу розроблені методики аналітичних, лабораторних та виробничих досліджень, методи та засоби вимірювання деформації елементів кріплення. Математичне моделювання прогину плит-затяжок, як елемента розрахункової схеми: масив гірських порід - забутовка - кріплення, проведено з урахуванням впливу на систему статичних та динамічних навантажень.

При статичних навантаженнях використовується теорія згину. Була складена розрахункова схема для визначення прогину плити-затяжки, що приведена на рис. 1.

Виділимо перерізами, які перпендикулярні вісям x, y, елемент плити і зобразимо його у деформованому вигляді (рис. 2.).

Для відносної деформації в шарі, який знаходиться на відстані серединної площини за аналогією з вигнутою балкою отримаємо формулу:

, е_{у = 0,} (1)

де - радіус кривизни серединної поверхні.

Згідно з законом Гука для напруженого плоского стану:

, (2)

де , - відповідні нормальні навантаження, Па;

При невеликих прогинах кривизну k = 1/с_x замінив другою похідною прогину, одержимо диференційне рівняння вигнутої поверхні смужки (плити-затяжки):

(3)

де - вигинаючий момент в змінному перерізі, Н/м; - циліндрична жорсткість плити-затяжки, Н м.

Обчислення прогинів плити зводиться до інтегрування рівняння (3). Виконав математичні перетворення, отримаємо:

(4)

Максимальний прогин при числовому обчисленні формули (4) та :

(5)

Для встановлення залежності стійкості кріплень від податливості визначаємо коефіцієнт підвищення стійкості кріплення при зміні деревини пружними елементами (6). Він залежить від фізичних властивостей забутовочного шару. При заміні деревини пружним матеріалом коефіцієнт підвищення стійкості кріплення виражено формулою:

(6)

де: - модуль повздовжньої пружності, модуль пружності першого роду (модуль Юнга, Па); _др - модуль Юнга деревини, _пр - модуль Юнга пружного матеріалу, відповідно, _др - коефіцієнт Пуассона для деревини, _пр - коефіцієнт Пуассона для пружних елементів.

Для оцінювання максимального прогину плити-затяжки проводиться числове обчислення формули (5), за яким встановлено, що деформування пружного забутовочного матеріалу під дією статичного навантаження зменшує прогин плити-затяжки у порівнянні з прогином при використанні деревини. Зменшення прогину відбувається за рахунок процесу стискання, ущільнення та перегрупування контактних поверхонь окремих пружних елементів.

При встановленні закономірностей деформацій визначено, що пружні елементи з відпрацьованих автомобільних шин як забутовочний матеріал мають кращі деформаційні властивості у порівнянні з деревиною і забезпечують рівномірне розподілення навантажень від гірського тиску за рахунок підвищення податливості кріплення.

Протягом всього терміну експлуатації кріплення не можна виключати можливість впливу на елементи кріплення динамічних навантажень. Тому необхідно змоделювати роботу плити-затяжки в даних випадках, наприклад, під впливом обрушених порід. В основі аналітичних досліджень при моделюванні використовується теорія непружного удару.

Для визначення середньої сили удару F_у куска гірської породи о лобовину у випадку, коли футерівка була відсутня і коли вона була виготовлена з пружних елементів відпрацьованих автомобільних шин необхідно визначити час стиснення пружини та ударний імпульс.

Розрахункова схема для визначення динамічних навантажень приведена на рис. 3.

Диференційне рівняння руху куска породи має вигляд:

, (7)

де: - статичне стиснення пружини;

- зміщення вантажу від положення рівноваги, м;

- маса куска гірничої породи, кг;

- прискорення вільного падіння (=9,81 м/с²);

- сила пружності, Н.

- жорсткість пружнього матеріалу

Математичним моделюванням поведінки лобовини під дією удару з урахуванням відомої жорсткості пружнього матеріалу визначаємо час стискання:

(8)

де: h - висота падіння кусків гірської породи, м; h₁ - величина стискання пружного матеріалу, м.

Ударний імпульс дорівнює:

(9)

Оцінювання сили удару проведемо по величині відношення ударного імпульсу до часу стискання : . Згідно проведеного обчислення формул 8 та 9, можна зробити висновок, що наявність футерівки з пружних елементів відпрацьованих шин зменшує силу удару при падінні кусків породи на порядок. Установлено, що за рахунок деформування пружних елементів під дією динамічних навантажень, дія удару кусків породи значно зменшується, що збільшує термін служби лобовини в 1,3 разів.

У лабораторних дослідженнях, виконаних на моделях з еквівалентних матеріалів, простежений механізм деформування пружних елементів при укладанні їх на плиту-затяжку.

Результати лабораторних досліджень дозволили оцінити міцність плити-затяжки за величиною її прогину на основі порівняння дослідних зразків. Вимірювання проводили для різних схем укладки пружних елементів і кусків деревини, а також для різної товщини забутовочного шару. На величину прогину плити-затяжки впливають деформаційні властивості шару забутовки. Залежності величини зміщення поршня Д, см лабораторної установки від прикладенних статичних навантажень С, кг представлені на рис. 4.

На графіках: 1- 4 в якості забутовки використані пружні елементи, а на 5-7 - деревина. Товщина укладки пружних елементів становить на графіках: 1 - 35 см; на 2 - 30 см; на 3 - 20 см; на 4 - 15 см. Товщина укладки елементів з деревини відносно становить на графіках: 5 - 30 см; 6 - 20 см; 7 - 5 см.

Аналіз залежностей показує, що чим більше товщина пружного шару, тим менше величина прогину плити-затяжки. Відповідно, чим більше товщина шару пружних матеріалів, тим менше реакція кріплення, що моделюється.

Проаналізував вище означені залежності можна зробити висновок, що при забутовці з пружних елементів зміщення поршня в 2,5 раз більше, ніж при використанні деревини. Це означає, що процес передачі навантажень на кріплення розтягнутий в часі за рахунок стискання пружних елементів. Забутовка з деревини практично зразу передає навантаження на кріплення.

Виходячи з проведених експериментальних досліджень, розроблена схема укладки пружних елементів з відпрацьованих автомобільних шин в закріпний простір, яка приведена на рис. 5.

Розміри забутовочного простору непостійні, тому треба мати набір кусків пружних елементів різних розмірів довжиною від 0,15 до 1,2 м. Такі куски утворюються при розрізанні шин на спеціально сконструйованому, при участі автора, верстаті, який обслуговується одним робітником.

При проведенні виробничих дослідженнь були проведені інструментальні заміри податливості кріплення методом геометричного нівелірування на ш. ім. Леніна на гор. 1275 м в північному польовому штреку у вісях 102-117 протягом 24 міс. Для спостережень були вибрані дві суміжні контрольні дільниці з подібними гірничо-геологічними умовами. На одній дільниці використані пружні елементи в якості забутовки, на другій - деревина. Кожна дільниця обладнана спостережними станціями, які складаються з реперів: Rp 01 - встановлених у вертикальному шпурі і Rp01/1 - на верхняку рами кріплення. Rp 01 контролює зміщення пород приконтурної зони виробки, за зміщенням репера Rp01/1 контролюється вертикальна деформація елементів кріплення. Вихідні репери Rp1 і Rp2 встановлюються у вертикальному шпурі, пробуреному у підошві виробки.

Графіки показують динаміку осідання породи і кріплення. Спочатку після зведення кріплення матеріал забутовки не впливає на величину деформації кріплення, тому що проходить природне ущільнення в спряжених елементах. Приблизно після 3 міс. картина деформацій змінюється. На контрольній дільниці з забутовкою деревиною величини деформацій рам кріплення залишаються схожими з величинами зміщення порід приконтурної зони, в той час, як величини деформацій рам дільниці з забутовкою пружними елементами - знизились. Таким чином, що забутовка з пружних елементів має більшу податливість і дозволяє знизити деформації елементів кріплення в порівнянні з забутовкою з деревини.

При дослідженні впливу динамічних навантажень на стійкість та довговічність виробок дія пружних елементів на податливість кріплення перевірялася в умовах ЗАТ «Суха Балка» для виробок приймального горизонту. Дослідження включали заміри величини податливості металевого кріплення, яка визначалась за змінами напустки арки і ніжки в замку податливості. Заміри проводились за допомогою металевої лінійки з точністю до 1 мм.

Сутність способу (рис. 7) полягає у використанні в конструкції кріплення додаткових елементів, які зменшують динамічні навантаження при випусканні гірських порід із очисного простору на приймальну виробку. В якості таких елементів використані пружні елементи з відпрацьованих автошин.

Спостереження проводили за кріпленнями з футеруванням лобовини пружними елементами та за кріпленнями без футерівки лобовин. Частота замірів складала один раз на тиждень. За термін експлуатації ортів було проведено 24 серії вимірювань податливості рам кріплення. Дослідження показали, що податливість рам кріплення з футерованою пружними елементами лобовиною в 2,1 рази більше, ніж податливість рам без футерівки лобовини.

Висновки

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій дане нове рішення актуальної науково-технічної задачі, що полягає в розробці і науковому обґрунтуванні ефективних засобів підвищення довговічності податливих арочних кріплень відкотних виробок та кріплень сполучень випускних дучок з виробками приймального горизонту залізорудних шахт.

Основні наукові висновки і рекомендації полягають у наступному:

1. Обґрунтовано, що забутовка пружними елементами зменшує прогин верхняка кріплення за рахунок зміни циліндричної жорсткості конструкції забутовки і затяжки внаслідок процесу стиснення забутовочного матеріалу і перегрупування крайових контактних поверхонь окремих пружних елементів в 2,1 рази.

2. Введений коефіцієнт податливості конструкції забутовки і затяжки, підтверджений аналітичними і лабораторними дослідженнями поведінки забутовки пружними елементами, який дає можливість визначити мінімально ефективну товщину укладання пружних елементів, що дорівнює товщині плити-затяжки.

3. Установлено, що під дією статичних навантажень деформації пружних елементів в 2,5 раз більше деформацій деревини, таким чином, процес передачі навантажень на кріплення розтягнутий у часі, що забезпечує податливість за рахунок збільшення коефіцієнту впливу часу на зміщення порід.

4. Установлено, що за рахунок деформування пружних елементів під дією динамічних навантажень, дія удару кусків породи значно зменшується, що збільшує термін служби лобовини в 1,3 разів.

5. Розроблені паспорта кріплень горизонтальних гірничих виробок при використанні пружних елементів в якості забутовочного та футерівочного матеріалів для підвищення стійкості і довговічності кріплень відкотних виробок та спряжень виробок прийомного горизонту з випускними дучками.

6. Розроблено, виготовлено та впроваджено установку по виготовленню забутовочних елементів різних розмірів.

7. Забутовка з пружних елементів впроваджена на шахтах ВАТ КЗРК: ім. Леніна, ш. «Гвардійська», ш. «Октябрьская», ш. «Батьківщина», а спосіб захисту лобовини від ударних навантажень футеруванням її пружними елементами на ш. «Ювілейна» ЗАТ «Суха Балка». Термін служби виробок із забутовкою пружними елементами збільшився в 1,5 раз, від впровадження футерівки лобовини - у 1,3 рази у порівнянні з лобовиною, виконаною згідно типового паспорту кріплення. Загальний економічний ефект від використання пружних елементів склав 63699 грн.

Основні положення і результати дисертації опубліковані в роботах

1. Гурин А.А., Комиссаренко Т.А. Материалы для заполнения закрепного пространства // Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог: КТУ. - 2000. - №71. - С. 90-94.

2. Гурин А.А., Комиссаренко Т.А. Опыт использования забутовочных материалов для крепления горизонтальных выработок в условиях Кривбасса // Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог: КТУ. - 2000. - №72. - С. 120-124.

3. Комиссаренко Т.А. Исследование эффективности использования отработанных автомобильных шин в качестве забутовочного материала // Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог: КТУ. - 2001. - №74. - С. 72-77.

4. Комиссаренко Т.А. Влияние забутовки на устойчивость крепи горных выработок при заполнении закрепного пространства отработанными шинами // Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог: КТУ. - 2001. - №76. - С. 41-46.

5. Комиссаренко Т.А. Повышение долговечности крепи горизонтальных горных выработок // Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог: КТУ. - 2002. - №78. - С. 47-51.

6. Гурин А.А., Комиссаренко Т.А. Забутовка закрепного пространства крепи горизонтальных горных выработок упругими элементами. // Збірник наукових праць НГУ. - Дніпропетровськ: РВК НГУ. - 2003. - №17. - Т. 2. - С. 31-32.

7. Спосіб кріплення гірничих виробок: Д.п. 65961 А, (51) 7 Е 21D5/00 / Гурін А.О., Ратушний В.М., Комісаренко Т.А. - №2003076315; Заявл. 08.07.2003; Опубл. 15.04.2004, Бюл. №4. - 3 с.:іл.

8. Пристрій для попередження пересипання руди з дучок: Д. п. 53920 А, (51) 7 Е21 D11/18 / Гурін А.О., Ратушний В.М., Комісаренко Т.А. - №2002031819; Заявл. 05.03.2002; Опубл. 17.02.2003, Бюл. №2. - 2 с.

9. Комиссаренко Т.А. Забутовка из отработанных автомобильных шин // Проблемы развития криворожского железорудного бассейна Тр. научн.-техн. конф. - Кривой Рог: КТУ. - 2002. - С. 164-165.

Размещено на Allbest.ru