Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ СПОСОБУ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

СТІЙКОСТІ підготовчих ВИРОБОК В УМОВАХ

великих деформацій порід підошви

(на прикладі шахти ім. В.М. Бажанова)

Мартовицький Артур Володимирович

УДК 622.261.2

Спеціальність 05.15.04 - “Шахтне та підземне будівництво”

Дніпропетровськ-2006

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. Дніпро-петровськ).

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Бузило Володимир Іванович,

професор кафедри підземної розробки родовищ Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ);

кандидат технічних наук, доцент

Борщевський Сергій Васильович,

доцент кафедри будівництва шахт та підземних споруд Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Провідна установа: Криворізький технічний університет, кафедра будівельних геотехнологій.

Захист дисертації відбудеться “09” червня 2006 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49005, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49005, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19).

Автореферат розіслано “____” _________ 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.В. Солодянкін

Загальна ХАРАКТЕРИСТИКА роботи

Актуальність теми. На сучасному етапі вугільна промисловість залишається найважливішою складовою паливно-енергетичного комплексу України. Значні запаси вугілля, розвинена інфраструктура регіонів, висококваліфіковані кадри дозволяють забезпечити енергетичну безпеку держави. Крім тепло- і електроенергетики однією з найбільш важливих галузей, що споживає вугілля, є металургія, у якій вугілля - це невід'ємний основний компонент коксохімічного виробництва.

Видобуток коксівного вугілля в Україні зосереджений на шахтах Центрального району Донбасу, який характеризується великими глибинами ведення гірничих робіт, складними гірничо-геологічними умовами. Одними з найбільш небезпечних серед них є значна метанообільність пластів вугілля, а також небезпека реалізації газодинамічних явищ.

Ці обставини, з одного боку, призводять до істотного погіршення стану підготовчих виробок, що експлуатуються в зоні впливу очисних робіт, а з іншого боку - вимагають якісного й безперебійного провітрювання вибоїв лав таких шахт. Тому забезпеченню експлуатаційного стану підготовчих виробок, що беруть участь у провітрюванні лав викидонебезпечних пластів, приділяється на шахтах Центрального району Донбасу особлива увага.

Не є виключенням і шахта ім. В.М. Бажанова (ВП “Шахтоуправління ім. В.М. Бажанова” ДП “Макіїввугілля”). Для зниження витрат на підтримку виймальних штреків в умовах комбінованої системи розробки, що застосовується на шахті, практикується проведення цих виробок слідом за лавою, при цьому їх підтримування й експлуатація відбувається у розвантаженій зоні поза лавою.

Однак, як показує досвід ведення гірничих робіт на шахті ім. В.М. Бажанова, застосування подібних заходів охорони і підтримки виймальних штреків не знімає задачі забезпечення їх стійкості: спостерігається значне (понад 1,0 м) здимання порід підошви, що вимагає проведення кількаразових підривок спучених порід із використанням на цих роботах значних людських, матеріальних і фінансових ресурсів.

Таким чином, способів охорони для забезпечення стійкості підготовчих виробок, що використовуються на шахті, виявляється недостатньо. Тому розробка ефективного способу забезпечення стійкості підготовчих виробок, що пройдені слідом за лавою в складних гірничо-геологічних умовах, є актуальною технічною задачею.

Науковою задачею, яка вирішується в дисертаційній роботі, є встановлення закономірностей взаємодії елементів системи “виробка-породний масив” в умовах здимання порід підошви в зоні впливу очисних робіт під час розробки викидонебезпечних пластів вугілля.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках комплексної галузевої програми РН.Ц.001 “Удосконалення технічної бази паливно-енергетичного комплексу і підвищення ефективності використання енергоресурсів” і пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки України №4 “Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології” відповідно до плану найважливіших держбюджетних робіт Міністерства освіти і науки України по програмі №20 “Розробити і впровадити ресурсозберігаючі й екологічно чисті технології видобутку і переробки вугілля”, за держбюджетною темою ГП-366 (№ держреєстрації 0105U000519) у Національному гірничому університеті.

Метою досліджень є розробка й обґрунтування параметрів способу забезпечення стійкості підготовчих виробок з підошвою, що здимається, які пройдені у зоні впливу очисних робіт слідом за лавою на викидонебезпечних вугільних шахтах, який забезпечує збереження експлуатаційного стану цих виробок протягом усього терміну їх використання.

Основна ідея полягає у використанні ефекту щілини, що демпфірує, попередньо пройденої у підошві виробки з метою поглинання деформацій масиву навколо неї протягом часу, необхідного для переміщення вибою лави на безпечну відстань.

Основні задачі досліджень:

- вибір об'єкта досліджень і вивчення особливостей прояву гірського тиску у підготовчих виробках шахти ім. Бажанова;

- дослідження якісної картини деформування масиву у підошві виробки, що має одну або кілька розвантажувальних щілин;

- виявлення закономірностей зміни напружено-деформорованого стану породного масиву навколо підготовчої виробки при використанні нового способу її охорони;

- визначення на чисельних моделях параметрів запропонованого способу забезпечення стійкості підготовчої виробки;

- експериментальна перевірка розробленого способу забезпечення стійкості в натурних умовах і розробка рекомендацій з його використання;

- розрахунок очікуваного економічного ефекту від використання результатів досліджень.

Об'єктом досліджень є напружено-деформований стан (НДС) масиву в підошві виробки, що знаходиться в зоні впливу очисних робіт, при спорудженні в її підошві розвантажувальної щілини-демпфера.

Предметом досліджень є параметри способу забезпечення експлуатаційного стану виробки, що підтримується в зоні впливу очисних робіт.

Методи досліджень. Методичну основу досліджень складає комплексний підхід, що включає аналіз і узагальнення спеціальної наукової літератури, натурні інструментальні спостереження, лабораторні й аналітичні дослідження, які виконані з залученням методу фізичного моделювання на еквівалентних матеріалах, методів будівельної механіки, механіки деформованого твердого тіла, теорії пружності, пластичності і стійкості систем, що деформуються.

Наукові положення, що захищаються в дисертації:

- стійкість підготовчої виробки, що проведена слідом за лавою, забезпечується шляхом керуючого впливу на стан її критичної ділянки, яка характеризується найбільшою інтенсивністю протікання геомеханічних процесів і знаходиться на відстані 15-40 м від очисного вибою, який рухається, що дозволяє на цій основі розробити ефективні способи впливу і визначити їх раціональні параметри;

- керуючий вплив на критичну ділянку забезпечується шляхом безперервного створення механічним способом в підошві виробки розвантажувальної щілини з відставанням від очисного вибою на 18-20 м, що при глибині 2,0 м і ширині 0,3 м працює як демпфер, який поглинає бічні переміщення порід протягом часу, достатнього для просування вибою лави на 180-200 м, що дозволяє зменшити інтенсивність здимання у виробці і скоротити обсяги ремонтних робіт.

Наукова новизна отриманих результатів:

- уперше для гірничо-геологічних умов шахти ім. В.М. Бажанова у виробках, що проведені слідом за лавою, виділена так звана критична ділянка (від 15 до 40 м за вибоєм лави), котра характеризується найбільшою інтенсивністю проявів гірського тиску у виробці, у межах якої зосереджені основні роботи з підтримки, що дозволяє, забезпечуючи стійкість цієї критичної ділянки, зберігати експлуатаційний стан виробки в цілому;

- уперше для дослідження втрати пружнопластичної стійкості підошви у виробці, що пройдена в зоні впливу очисних робіт, використаний чисельний алгоритм, який враховує нелінійні ефекти разміцнення і розпушення порід у зоні непружних деформацій, сформованої навколо виробки;

- уперше встановлені закономірності зміни напружено-деформованого стану підошви, що здимається, у виробці, яка підтримується за лавою, при здійсненні в ній заходів щодо розвантаження підошви від підвищених напружень і створенню демпфера, який поглинає бічні переміщення масиву, котрі провокують здимання, що дозволило обґрунтувати параметри способу забезпечення стійкості виробки;

- доведено, що часткове заповнення щілини-демпфера (до 2/3 її об'єму) матеріалом типу розпушеної породи не погіршує її здатність поглинати бічні зсуви масиву, що викликають здимання підошви у виробці;

- встановлено, що при наявності в підошві виробки розвантажувальної щілини-демпфера втрата стійкості підошви (спучування порід) відбувається тільки після повного закриття щілини за межами критичної ділянки.

Наукове значення роботи полягає в розкритті закономірностей зміни напружено-деформованого стану приконтурного породного масиву в підошві підготовчої виробки, яка пройдена слідом за лавою, при використанні як заходу із забезпечення її стійкості розвантажувальної щілини-демпфера, що поглинає деформації масиву під час розвитку здимання порід підошви.

Практичне значення роботи полягає в обґрунтуванні параметрів способу забезпечення стійкості підготовчих виробок з підошвою, що здимається, які проходяться слідом за лавою із застосуванням прохідницьких комбайнів, а також розробці рекомендацій із застосування цього способу в умовах ВП “Шахтоуправління ім. В.М. Бажанова” ДП “Макіїввугілля”.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується використанням апробованих методів аналітичних, лабораторних і шахтних досліджень; коректністю поставлених задач, адекватністю використаної математичної моделі реальним об'єктам, достатньою збіжністю результатів натурних і аналітичних досліджень, економічною ефективністю при впровадженні результатів досліджень.

Реалізація результатів роботи. Результати досліджень використані на шахті ім. В.М. Бажанова під час підтримання вентиляційного ходка 6 західної лави пласту горизонту 1100 м. Розрахунковий економічний ефект склав понад 455 тис. грн. на 1000 п.м. виробки.

Особистий внесок автора полягає у формулюванні мети, задач досліджень, наукових положень, у розробці методики досліджень, в аналізі результатів лабораторних, натурних і теоретичних досліджень, розробці рекомендацій з вибору параметрів способу охорони і підтримки підготовчих виробок у зоні впливу лави та впровадженні результатів досліджень на шахті.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи повідомлені, обговорені і схвалені на засіданні науково-технічної ради шахти ім. В.М. Бажанова, на засіданнях кафедри будівельних геотехнологій і геомеханіки НГУ (2003-2005 р.), а також на міжнародному науково-практичному симпозіумі “Сучасні проблеми шахтного і підземного будівництва” (м. Донецьк, 2004), міжнародній науково-технічної конференції “Удосконалення технології будівництва шахт і підземних споруд” (м. Донецьк, 2005 р.), “Форумі гірників” (м. Дніпропетровськ, НГУ, 2005 р.) і міжнародній науково-технічної конференції “Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості” (м. Кривій Ріг, 2005 р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 11 наукових праць, у тому числі 5 - у фахових виданнях, 5 - у збірниках матеріалів науково-технічних конференцій і 1 патент на винахід.

Структура й обсяг. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновку, списку використаних джерел із 173 найменувань і чотирьох додатків. Містить 111 сторінок машинописного тексту, 52 малюнка і 6 таблиць. Загальний обсяг дисертації 158 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

гірський тиск порода шахта

Проблемою здимання порід підошви протяжної виробки в різний час займалися такі відомі вчені, як О.В. Гурдус, А.І. Целігоров, В.Д. Слесарєв, В.М. Городничев, П.М. Цимбаревич, М.М. Шейхет, О.П. Максимов, Ю.З. Заславський, І.Л. Черняк, Б.М. Усаченко, Г.Г. Литвинський, О.М. Шашенко, А.М. Роєнко та ін. В результаті роботи наукових шкіл під їх керівництвом були висунуті гіпотези, що пояснюють природу й механізм цього явища, як у зоні впливу лави, так і поза неї.

Аналіз літературних джерел за темою дисертації показує, що серед багатої кількості робочих гіпотез дотепер немає загальноприйнятої. Їх різноманіття та складність явища здимання породжують велику кількість заходів щодо протидії його проявам, котрі далеко не завжди і не скрізь ефективні.

Для встановлення характеру проявів гірського тиску в підготовчих виробках шахти ім. В.М. Бажанова й одержання кількісних оцінок величини здимання були проведені інструментальні спостереження в протяжних виробках 4-ої та 6-ої західних лав пласту горизонтів відповідно 1012 м і 1100 м. Замірна станція являла собою спеціальним чином підготовлену комплектну арку кріплення. Загальна кількість замірних станцій склала 40 штук. Особливий інтерес представляють спостереження у вентиляційному штреку і вентиляційному ходку 6-ої західної лави, які проведені в умовах впливу очисних робіт. Аналіз результатів спостережень показав наступне.

У вентиляційному штреку при наближенні вибою очисної виробки до замірних станцій збільшувалися переміщення боків виробок і вертикальна конвергенція, причому здимання порід підошви мало велику інтенсивність. Горизонтальна конвергенція досягла 1,0-1,25 м, а вертикальна - 1,6 м, що зменшило розміри виробки в 1,5 і 2,1 рази відповідно.

У вентиляційному ходку процес переміщення боків виробки плавно згасає, конвергенція складає в середньому 0,4-0,55 м і призводить до зменшення ширини виробки в 1,1 рази. Процес вертикальних зсувів контуру підошви і покрівлі виробки залишається незатухаючим, величина вертикальної конвергенції досягає 1,0 м, що призводить до зменшення висоти виробки в 1,4 рази. Така ситуація вимагає вже з відстані 30-40 м після відходу вибою лави робити періодичні підривки порід підошви.

Максимальна інтенсивність переміщень спостерігалася на відстані 25-35 м за вибоєм лави. Із віддаленням від лави інтенсивність переміщень падає і процес практично стабілізується на відстані 150-200 м за вибоєм лави.

Графік абсолютних величин здимання підошви в межах замірних станцій представлений у загальному вигляді на рис. 1, де виділені кілька ділянок:

а) ділянка 15-25 м від вибою ходка - для неї характерні невеликі переміщення підошви виробки і порівняно невелика їх швидкість;

б) ділянка 130-170 м від вибою ходка - характеризується різким зростанням переміщень та їх швидкості;

в) ділянка 150-195 м від вибою ходка - характеризується невеликою швидкістю розвитку переміщень.

Ділянки проведення підривок по довжині виробки фактично збігаються із ділянками початку здимання й стабілізації його інтенсивності. Найбільш активні роботи із підтримування виробки, яка пройдена слідом за лавою, зосереджені на ділянці, що була названа “критичною” і котра розташована на відстані від 15 до 40 м від вибою лави, що рухається (рис. 2). По суті, від стану цієї ділянки залежить стан усієї виробки весь термін її експлуатації.

Тобто, можна стверджувати, що стійкість підготовчої виробки, проведеної слідом за лавою, забезпечується шляхом керуючого впливу на стан, насамперед, її критичної ділянки, яка характеризується найбільшою інтенсивністю протікання геомеханічних процесів і розташована на відстані 15-40 м від очисного вибою, який рухається, що дозволяє на цій основі розробити ефективні способи впливу і визначити їх раціональні параметри.

Для умов шахти ім. В.М. Бажанова найбільш раціональним був визначений спосіб створення в підошві локальних областей знижених напружень шляхом формування осьових щілин. Для реалізації цього способу, з огляду на застосовувану на шахті технологію проведення таких виробок, конструкція комбайна ГПКС піддалася змінам: для прорізання щілин у підошві на задній монтажній плиті замість перевантажувача встановлено додатковий виконавчий орган ланцюгового типу із замкнутим контуром (рис. 3).

Місце створення щілини передбачено на початку “критичної ділянки” і при правильно підібраних її параметрах щілина може ефективно працювати весь період часу, протягом якого вибій лави пересунеться на 180-200 м.

З метою встановлення якісної картини явищ, що відбуваються в масиві навколо виробки при створенні в ній розвантажувальної щілини, були проведені дослідження на моделях з еквівалентних матеріалів. Основною задачею при цьому було визначення характеру впливу схем з різним розташуванням і кількістю щілин у підошві на зміну стану виробки. Виготовлялися моделі, що імітують шаруватий масив, складений породами з різними фізико-механічними параметрами. У моделях варіювалося положення щілин, їхня кількість і глибина. Кут їх нахилу і ширина залишалися постійними.

Якісна оцінка стану виробок на моделях виконувалася за показниками стану і , яка враховує мінімально припустимі розміри і площі перерізу виробок, котрі знаходяться в зоні впливу очисних робіт, зазначені в Правилах безпеки. Величини і прийняті у вигляді

і ,

де - відповідно висота і ширина виробки у вихідному стані моделі; - відповідно висота і ширина виробки при максимальній величині навантаження на пуансоні моделі. При = 1 і = 1 стан виробки не змінився при досягненні максимального навантаження на пуансоні моделі; при = 0 і = 0 - виробка цілком зруйнована. При цьому вважалося, що виробка знаходиться в незадовільному стані, якщо або/і .

Аналіз показав, що з усіх розглянутих ситуацій положення щілини найкращий стан виробка на моделі мала при ситуації №1, коли в підошві прорізана одиночна осьова щілина (рис. 5). Тому до подальшого аналізу прийняті результати, що відповідають цій ситуації.

Крива залежності переміщень підошви від глибини щілини, побудована для цієї ситуації, показує, що при глибині щілини 2,0 м зсуви підошви мінімальні і подальше збільшення її глибини суттєво не впливає на величину переміщень підошви (рис. 6).

Спостереження за деформаціями моделей під час проведення експериментів дозволили встановити, що втрата стійкості виробки наставала після повного закриття щілини і ніколи до цього моменту. Отже, вплив щілини спрямований не тільки на перерозподіл напружень у підошві виробки, але й на поглинання протягом деякого часу виникаючих переміщень порід.

Результати, отримані під час фізичних випробувань, носили якісний характер, тому наступним етапом досліджень було проведення чисельних експериментів із залученням методу скінчених елементів, метою яких було уточнення механізму роботи щілини та її параметрів.

Дослідження складалися із трьох етапів: а) оцінка впливу щілини на розподіл напружень у підошві виробки з метою уточнення характеру роботи щілини; б) визначення величини кроку обвалення основної покрівлі з метою оцінки взаємозв'язку цього фактора із настанням втрати стійкості підошви виробки; в) моделювання підняття порід підошви з метою встановлення параметрів щілини з погляду на її дію як демпфера.

Під час чисельного моделювання встановлено, що щілина глибиною 2,0 м істотно знижує рівні еквівалентних і дотичних напружень на контурі підошви, що підтверджує висновки, отримані при фізичному моделюванні.

З використанням розрахункової схеми і методики, розробленої в НГУ к.т.н. Н.В. Хозяйкіною, доведено, що крок обвалення основної покрівлі під час відпрацьовування пласту на шахті ім. В.М. Бажанова складає 24,0 м, що фактично збігається із обмірюваним кроком обвалення порід покрівлі. Це підтверджує припущення про вплив обвалення порід покрівлі лави на початок втрати стійкості підошви у вентиляційному штреку.

Чисельні дослідження третього етапу (рис. 7) були побудовані з урахуванням результатів лабораторного моделювання і зосереджені на обґрунтуванні параметрів розвантажувальної щілини. Моделювалося кілька ситуацій, пов'язаних із розвитком здимання порід підошви у виробці, у яких варіювалася ширина щілини, її глибина, а також заповнення її на 2/3 розпушеною породою.

Аналіз результатів цього етапу досліджень показав, що розвантажувальна щілина шириною 0,3 м і глибиною 2,0 м має запас переміщень стінок, який дозволяє використовувати її як демпфер, котрий “поглинає” деформації породного масиву навколо виробки в період підтримування критичної ділянки вентходка. При цьому щілина шириною 0,15 м такого запасу не має, закривається раніше, ніж лава відійде на безпечну відстань, не перешкоджаючи при цьому розвиткові здимання, і тому не може використовуватися як щілина-демпфер (рис. 7).

Вплив заповнювача, що легко деформується, на закриття розвантажувальної щілини шириною 0,3 м і глибиною 2,1 м досліджено за тією ж розрахунковою схемою, при цьому щілина була заповнена на 2/3 матеріалом на зразок розпушеної породи. Графік на рис. 7 показує, що при максимальній величині навантаження зближення стінок щілини із заповнювачем не досягає й половини ширини щілини, а інтенсивність цих зсувів у середньому по глибині на 30,6% нижче, ніж у випадку тієї ж щілини без заповнювача.

Таким чином, на підставі отриманих результатів можна стверджувати, що керуючий вплив на критичну ділянку забезпечується шляхом створення механічним способом розвантажувальної щілини в підошві виробки на відстані 18-20 м від очисного вибою, котра при глибині 2,0 м і ширині 0,3 м працює як демпфер, який поглинає бічні зсуви порід протягом часу, достатнього для переміщення вибою лави на 180-200 м, що дозволяє зменшити інтенсивність здимання у виробці і скоротити обсяги ремонтних робіт.

Для перевірки висновків, які отримані під час виконання лабораторного і чисельного моделювання, були проведені повторні натурні виміри. Довжина експериментальної ділянки, що була закладена у вентиляційному ходку 6-ої західної лави пласта гор. 1100 м, склала 140 м.

Результати шахтного експерименту підтвердили зроблений раніше висновок про можливість використання щілини-демпфера шириною 0,3 м і глибиною 2,0 м для збереження експлуатаційного стану виробки (рис. 8): при наявності такої щілини стан виробки в зоні проведення експерименту виявився найкращим.

Порівняння результатів натурного експерименту і чисельних досліджень показали їх досить високу збіжність: розкид складає не більш 15%.

За підсумками виконаних досліджень розроблені “Рекомендації із застосування способу забезпечення стійкості протяжних виробок з підошвою, що здимається, які проведені слідом за лавою у викидонебезпечних вугільних шахтах”, котрі застосовані в умовах шахти ім. В.М. Бажанова. Очікуваний економічний ефект склав понад 450 тис. грн. на 1000 п.м. виробки.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною кваліфікаційною науково-дослідною роботою, у якій на основі уперше встановлених закономірностей зміни напружено-деформованого стану приконтурного породного масиву вирішена актуальна науково-технічна задача забезпечення стійкості підготовчих виробок з підошвою, що здимається, які розташовані у зоні впливу очисних робіт і підтримуються у виробленому просторі за лавою в умовах викидонебезпечних вугільних шахт, на прикладі шахти ім. В.М. Бажанова.

Основні результати цієї роботи полягають у наступному:

1. Виконаний огляд літературних джерел за темою дисертації, визначена модель явища здимання порід підошви виробки, яка прийнята при подальших дослідженнях; виділені найбільш розповсюджені види заходів, що застосовуються для попередження і ліквідації здимання.

2. Натурні спостереження за проявами гірського тиску у вентиляційному ходку 6-ої західної лави пласту m3 гор. 1100 м показали, що із віддаленням від лави інтенсивність переміщень породного контуру у виробці падає і процес практично стабілізується на відстані 150-200 м за вибоєм лави. При цьому різкий зріст інтенсивності переміщень контуру підошви починався на відстані 20-25 м за вибоєм ходка.

3. Доведено, що стійкість підготовчої виробки, що проведена слідом за лавою, забезпечується шляхом керуючого впливу на стан, насамперед, її критичної ділянки, яка характеризується найбільшою інтенсивністю протікання геомеханічних процесів і знаходиться на відстані 15-40 м від очисного вибою, який рухається, що дозволяє на цій основі розробити ефективні способи впливу і визначити їх раціональні параметри. При цьому тривалість такого керуючого впливу повинна відповідати часу, протягом якого вибій лави пересувається на 180-200 м.

4. Запропонований спосіб розвантаження порід підошви шляхом створення розвантажувальної щілини механічним способом як додатковий захід, що забезпечує експлуатаційний стан вентходка. При цьому технологічно місце спорудження щілини знаходиться на початку критичної ділянки вентходка.

5. На фізичних моделях з еквівалентних матеріалів встановлено, що втрата стійкості підошви (початок процесу здимання) наставала після повного закриття щілини і ніколи до цього моменту, що вказує на наступне: вплив щілини спрямований не тільки на перерозподіл напружень у підошві виробки, але й на створення демпфера, який деякий час поглинає деформації порід у підошві виробки, котрі виникають під час формування зони розпушення .

6. Під час фізичного моделювання встановлено, що при застосуванні способу підвищення стійкості виробки, яка знаходиться в умовах порід, що здимаються, на шахти ім. В.М. Бажанова, реалізованого у вигляді одиночної розвантажувальної щілини, яка розташована вздовж осі виробки, найкращий її стан спостерігається при розмірах розвантажувальної щілини по глибині - 2,0-2,5 м, по ширині - 0,15 м. При цьому величина вертикальної конвергенції зменшується в 2,2 рази.

7. Уперше для дослідження втрати пружнопластичної стійкості підошви у виробці, яка пройдена в зоні впливу очисних робіт, використаний чисельний алгоритм, що враховує нелінійні ефекти разміцнення і розпушення порід у зоні непружних деформацій, яка сформована навколо виробки.

8. На чисельних моделях встановлено, що наявність щілини в підошві виробки призводить до збільшення відносного радіуса зони непружних деформацій. При цьому втрата стійкості підошви настає тільки після повного закриття щілини, оскільки додаткові переміщення реалізуються не у вертикальному напрямку, а в горизонтальному, й спрямовані на закриття щілини. Зі збільшенням глибини щілини величина вертикальних переміщень контуру підошви зменшується в 2,06 рази.

9. Встановлено, що при параметрах щілини: ширина - 0,3 м і глибина - до 2,5 м, спостерігається “ефект щілини, що закривається”, тобто щілина з часом закривається, маючи такий запас зближення стінок, що в період найбільш інтенсивних переміщень масиву останні поглинаються за рахунок закриття щілини. Доведено, що щілина шириною 0,15 м не має достатнього запасу зближення стінок для поглинання деформацій масиву на критичній ділянці виробки.

10. Встановлено, що керуючий вплив на критичну ділянку забезпечується шляхом безперервного створення механічним способом в підошві виробки розвантажувальної щілини з відставанням від очисного вибою на 18-20 м, що при глибині 2,0 м і ширині 0,3 м працює як демпфер, який поглинає бічні переміщення порід протягом часу, достатнього для просування вибою лави на 180-200 м, що дозволяє зменшити інтенсивність здимання у виробці і скоротити обсяги ремонтних робіт.

11. Доведено, що часткове заповнення щілини-демпфера (до 2/3 її об'єму) матеріалом на зразок розпушеної породи не погіршує її здатність поглинати бічні переміщення масиву, які викликають здимання підошви у виробці.

12. За результатами виконаних досліджень розроблені Рекомендації із забезпечення стійкості протяжних виробок з підошвою, що здимається, які проведені слідом за лавою у викидонебезпечних вугільних шахтах, котрі застосовані на експериментальній ділянці вентиляційного ходка 6-ої західної лави пл. m3 гор. 1100 м. Очікуваний економічний ефект від їх застосування складе 455,34 тис. грн. на рік на 1000 п.м. виробки.

Список опублікованих праць здобувача за темою дисертації

1. Мартовицкий А.В. Подход к численному исследованию развития пучения пород почвы протяженной выработки // Науковий вісник НГУ.- 2005.- №1.- С.46-49.

2. Мартовицкий А.В. Исследование способа повышения устойчивости выработки в зоне влияния очистных работ на моделях из эквивалентных материалов // Науковий вісник НГУ.- 2005.- №2.- С.29-31.

3. Мартовицкий А.В., Шашенко А.Н., Гапеев С.Н. Комплексное исследование способа обеспечения устойчивости протяженной выработки с пучащей почвой, расположенной в зоне влияния лавы // Науковий вісник НГУ.- 2005.- №7.- С.52-55.

4. Исследования проявлений горного давления в капитальных и подготовительных выработках на больших глубинах / А.В. Мартовицкий, А.Н. Шашенко, А.В. Скобенко, В.В. Мякенький // Разработка рудных месторождений.- Кривой Рог: Изд-во КТУ, 2005.- Вып. 88.- С.53-56.

5. Мартовицкий А.В., Шашенко А.Н., Гапеев С.Н. Компьютерная проверка способа предупреждения пучения пород почвы протяженной выработки // Наукові праці ДонНТУ. Серія: гірничо-геологічна.- Донецьк: ДонНТУ, 2005. -Вип. 96.- С.59-61.

6. Пат. 63429 А Україна, МПК Е 21 C 25/00, Е 21 F 5/00. Прохідницький комбайн: Пат. 63429 А Україна, МПК Е 21 C 25/00, Е 21 F 5/00 / Васильєв О.В., Рудов О.В., Мартовицький А.В., Васильєв В.Г., Раскидкин В.В., Бутілов С.С., Чирикін Л.М.Панасенко О.В.; Заявл. 17.04.03; Опубл. 15.01.04; Бюл. №1. - 4.155 с.

7. Мартовицкий А.В., Скобенко А.В., Мякенький В.В. Экспериментальные исследования проявлений горного давления в капитальных и подготовительных выработках шахты им. В.М. Бажанова // Материалы междунар. науч.-практич. симпоз. “Современные проблемы шахтного и подземного строительства”.- Донецк: “Норд-пресс”, 2004.- Вып.5.-С.188-193.

8. Мартовицкий А.В., Панченко В.В. Модернизация проходческого комбайна для прорезания разгрузочной щели в пучащей почве подготавливающих выработок в зоне влияния очистных работ // Материалы междунар. науч.-техн. конф. “Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений”.- Донецк: “Норд-пресс”, 2005.- С.45.

9. Мартовицкий А.В. Результаты натурной экспериментальной проверки способа обеспечения устойчивости подготовительных выработок, поддерживаемых за лавой // Матеріали міжнар. конф. “Форум гірників - 2005”.- Дніпропетровськ: НГУ, 2005.- т.3.- С.132-136.

10. Мартовицкий А.В. Закономерности деформирования подготовительных выработок в условиях шахты им. В.М. Бажанова // Материалы междунар. науч.-практич. симпоз. “Современные проблемы шахтного и подземного строительства”. - Донецк: “Норд-Пресс”, 2005.- Вып.6.- С.51-57.

11. Мартовицкий А.В., Хозяйкина Н.В., Гапеев С.Н. Влияние шага обрушения основной кровли лавы на формирование напряженно-деформированного состояния в окрестности подготовительной выработки // Материалы региональной науч.-практич. школы-семинара “Прогрессивные технологии строительства, безопасности и реструктуризации горных предприятий”.- Донецк: “Норд-Пресс”, 2006.- С.209-215.

АНОТАЦІЯ

Мартовицький А.В. Обґрунтування параметрів способу забезпечення стійкості підготовчих виробок в умовах великих деформацій порід підошви (на прикладі шахти ім. В.М. Бажанова). - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.04 - “Шахтне та підземне будівництво”. Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, Дніпропетровськ, 2006.

У дисертації викладені результати досліджень напружено-деформованого стану порідного масиву навколо підготовчої виробки з підошвою, що здимається, підтримуваної за очисним вибоєм, стійкість якої забезпечується через створення осьової щілини-демпфера в її підошві.

На основі виконаних натурних вимірів у підготовчих виробках виділена критична ділянка, ефективне підтримування якої дозволяє забезпечувати експлуатаційний стан виробки в цілому. Для цього запропонований спосіб створення осьової щілини-демпфера в підошві й удосконалена конструкція прохідницького комбайна.

Закономірності, які отримані при чисельному й фізичному моделюванні, дозволили обґрунтувати раціональні параметри щілини-демпфера в підошві (ширина 0,3 м і глибина 2,0 м), при яких на критичній ділянці забезпечується поглинання бічних зсувів породного масиву, котрі викликають здимання, на час, достатній для відходу лави на 180-200 м.

Результати досліджень застосовані в умовах шахти ім. В.М. Бажанова.

Ключові слова: здимання підошви, зона впливу лави, критична ділянка, забезпечення стійкості, щілинне розвантаження підошви, щілина-демпфер.

аннотация

Мартовицкий А.В. Обоснование параметров способа обеспечения устойчивости подготовительных выработок в условиях больших деформаций пород почвы (на примере шахты им. В.М. Бажанова). - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.04 - “Шахтное и подземное строительство”. Национальный горный университет Министерства образования и науки Украины, Днепропетровск, 2006.

В диссертационной работе изложены результаты исследований напряженно-деформированного состояния приконтурного массива в окрестности протяженной выработки с пучащей почвой, проводимой и поддерживаемой позади очистного забоя, устойчивость которой обеспечивается путем создания осевой щели-демпфера в ее почве.

Исследования выполнены для условий разработки пласта на шахте им. В.М. Бажанова. В результате анализа натурных наблюдений, выполненных на шахте в протяженных выработках 6-й западной лавы пласта горизонта 1100 м, впервые для горно-геологических условий шахты им. В.М. Бажанова выделен так называемый критический участок (от 15 до 40 м за движущимся забоем лавы), который характеризуется наибольшей интенсивностью проявлений горного давления в выработке, в пределах которого сосредоточены основные работы по поддержанию, что позволяет сохранять эксплуатационное состояние выработки в целом путем управляющего воздействия на состояние ее критического участка.

Наиболее рациональным видом такого воздействия для условий шахты им. В.М. Бажанова был определен способ создания осевых щелей в почве. Для его реализации разработана новая конструкция проходческого комбайна, включающая дополнительный исполнительный орган цепного типа с замкнутым контуром, защищенная патентом Украины.

На основе физического моделирования на эквивалентных материалах установлено, что наилучшее состояние выработки достигается при наличии одиночной осевой щели, при этом потеря устойчивости почвы (пучение) наступает только после полного ее закрытия, что указывает на работу щели в качестве демпфера, поглощающего в течение некоторого времени возникающие деформации пород. Установлено, что при глубине щели 2,0 м смещения почвы минимальны и дальнейшее увеличение ее глубины не влияет на величину смещений.

В ходе численных исследований установлено, что щель глубиной 2,0 м существенно снижает уровни напряжений на контуре почвы. Доказано, что шаг обрушения основной кровли при отработке пласта на шахте им. В.М. Бажанова составляет 24,0 м, оказывая влияние на активизацию геомеханических процессов на критическом участке выработки.

Анализ результатов численного моделирования пучения почвы показывает, что разгрузочная щель шириной 0,3 м и глубиной 2,0 м обладает запасом смещений стенок, который позволяет использовать ее в качестве демпфера, “поглощающего” деформации приконтурного массива в окрестности выработки в период поддержания ее критического участка. Продолжительность работы щели-демпфера достаточна для отхода лавы на расстояние 180-200 м. Доказано, что частичное заполнение щели-демпфера (до 2/3 ее объема) легко деформирующимся материалом не ухудшает ее способность поглощать боковые смещения массива, вызывающие пучение почвы.

Натурный эксперимент подтвердил выводы лабораторного и численного моделирования относительно действия щели-демпфера глубиной 2,0 м и шириной 0,3 м. Сравнение результатов натурного эксперимента и численных исследований показали их достаточно высокую сходимость: разброс составляет не более 15%.

По итогам выполненных исследований разработаны Рекомендации по обеспечению устойчивости протяженных выработок с пучащей почвой, проводимых вслед за лавой в выбросоопасных угольных шахтах, которые применены в условиях шахты им. В.М. Бажанова. Ожидаемый экономический эффект составит более 450 тыс. грн. на 1000 п.м. выработки.

Ключевые слова: пучение почвы, зона влияния лавы, критический участок, обеспечение устойчивости, щелевая разгрузка почвы, щель-демпфер.

The summary

Martovickiy А.V. Substantiation of parameters of method to provide a stability of development mine workings in conditions of major rock deformations of sole (on an instance of V.M. Bazhanov mine). - Manuscript.

The dissertation on obtaining a scientific degree of the candidate of engineering science in specialty 05.15.04 - “Mine and Underground Construction”. National Mining University of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2006.

In dissertation the outcomes of exploration of a state of tense-strain of a rock massif that is located around of development mine working are stated. The mine working is erected behind of a breakage face and has sole that subject to a floor heaving. The stability of a mine working is providing by making of the slot-damper, which located in her sole along a longitudinal axis.

On the basis of mine measurements, which have been carried out in development mine workings, the critical sector there is chosen. His effective maintaining allows ensuring an operational state of all working. For this purpose the expedient of making the axial slot-damper in the sole is offered and the construction of the entry-driving machine is updated.

The regularities received at numerical and physical modeling, have allowed to substantiate the following rational parameters of the slot-damper in sole: breadth - 0,3 m and depth - 2,0 m. At such parameters of the slot on a critical sector of a mine working sorption of lateral misalignments of the rock massif calling a floor heaving is ensured, during a time, which is enough for a waste of a breakage face on distance of 180-200 m.

The results of explorations are applied in conditions of V.M. Bazhanov mine.

Keywords: a floor heaving of a mine working, a band of effect of a breakage face, a critical sector of a mine working, the ensuring of a stability of a mine working, relief of sole of a mine working by the slot, the slot-damper.

Размещено на Allbest.ru

...