Стійкість підземних виробок вугільних шахт у тріщинуватому порідному масиві

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Стійкість підземних виробок вугільних шахт у тріщинуватому порідному масиві

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Основою економіки промисловості розвинених країн є, насамперед, паливно-енергетичний комплекс. З усіх джерел енергії в Україні переважна частина їх (понад 70%) припадає на вугілля. Тим часом політична й економічна ситуація в країні призвели до того, що видобуток найважливішого і, по суті, єдиного власного енергоносія в країні різко впав. Так, обсяг видобутку вугілля в 1999 році майже в три рази менше, ніж у 1976 році. При цьому кількість робітників у цілому на шахтах знизилася усього лише на 10-25%. Проте останні 2-3 роки намітилася стійка тенденція щодо зростання видобутку вугілля і залишається сподіватися, що вона стане домінуючою.

У структурі шахти велике значення має підготовлений фронт очисних робіт, що забезпечується проведенням відповідної кількості підготовчих виробок. При цьому технічний персонал намагається максимально використовувати ці виробки повторно і знизити витрати, пов'язані з забезпеченням їхніх експлуатаційних можливостей.

У цьому зв'язку актуальними стають дослідження, спрямовані на ефективне забезпечення стійкості виробок вугільних шахт.

Ідея досліджень складається в тому, щоб використовувати структурні особливості порідного масиву (тріщинуватість, шаруватість) для розміщення виробок таким чином, щоб максимально забезпечити зниження витрат на їх підтримку.

Ціль досліджень складається у встановленні закономірностей деформування порідного масиву навколо виробок, що проводяться при наявності пласких елементів структури типу тріщин.

Дисертація виконана як складова частина досліджень в області забезпечення стійкості підземних гірських виробок, виконаних у Національній гірничій академії України (ГП-233 «Встановлення закономірностей прояву гірського тиску в підготовчих виробках вугільних шахт, що знаходяться в зоні впливу очисних робіт» і ін.).

Основні задачі досліджень складаються в наступному:

збір даних про стан підземних виробок шахт ДХК «Шахтарськантрацит»;

багатофакторний регресійний аналіз даних про стійкість виробок і одержання відповідних моделей;

лабораторне дослідження на еквівалентних матеріалах;

аналітичні дослідження стійкості виробок у масиві з тріщинами;

практичне застосування отриманих закономірностей в умовах шахт ДХК «Шахтарськантрацит».

Методи досліджень: аналіз інформаційних джерел, збір й опрацювання результатів натурних досліджень, регресійний аналіз, лабораторне моделювання, аналітичні дослідження (метод граничних елементів).

Основні наукові положення, що захищаються в дисертації:

1. Стійкість підземної виробки в порідному масиві, що містить пласкі дефекти у вигляді тріщин (нашарувань) істотно і нелінійно залежить від азимута проведення виробки і кута нахилу пласких дефектів.

2. Рівень максимальних напружень перед вибоєм виробки, проведеної з боку лежачого боку, у 2-3 разу вище, ніж для виробки, проведеної з боку висячого боку стосовно пласких дефектів.

Наукова новизна отриманих результатів:

уперше доведено, що стійкість підземних гірських виробок залежить від розташування в просторі пласких елементів структури порідного масиву, таких як тріщини і нашарування;

стійкість підземних гірських виробок, яка оцінюється рівнем еквівалентних напружень, що діють у приконтурному масиві, функціонально пов'язана з кутом падіння тріщин і азимутом проведення виробки;

обгрунтовано аналітично й експериментально, що різна стійкість виробок, проведених у тих самих умовах, але в протилежних напрямках, визначається рівнем концентрації напружень у привибійній частині порідного масиву.

Наукове значення роботи полягає у встановленні невідомої раніше закономірності змінення стійкості порідних оголень у підземних виробках залежно від напрямку їх проведення стосовно систем тріщин.

За результатами досліджень отримано свідоцтво про наукове відкриття (Диплом №131, Міжнародна асоціація авторів наукових відкриттів на основі результатів наукової експертизи замовлення на відкриття №А-156 від 14 грудня 1999 р.).

Практичне значення отриманих результатів досліджень полягає в обгрунтуванні необхідності підготовки шахтних полів з урахуванням просторового орієнтування систем тріщин.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень виконаних досліджень забезпечується використуванням апробованих методів теорії ймовірностей, теорії розмірностей, механіки суцільного середовища, а також отриманням результатів регресійного аналізу даних натурних досліджень з коефіцієнтом множинної кореляції не нижче 0,8 і результатів лабораторного моделювання з коефіцієнтом варіації не більш 15%.

Особистий внесок автора складається у зборі й опрацюванні натурних матеріалів в області стійкості підземних виробок шахт ДХК «Шахтарськантрацит», виконанні лабораторних експериментів і опрацюванні результатів аналітичних досліджень.

Апробація результатів досліджень. Основні результати досліджень докладались на «Неделе Горняка» у Московському державному гірничому університеті (м. Москва, 2000), Міжнародному симпозіумі з планування гірничих робіт (м. Дніпропетровськ, 1999), на наукових семінарах кафедри будівництва шахт і підземних споруд НГА України (м. Дніпропетровськ, 1998, 1999 р.р.).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 5 статтях: 4- у наукових фахових виданнях, 1- у збірнику наукових праць конференції.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з введення, 5 розділів, висновків і додатка. Викладена на 127 сторінках машинописного тексту, містить 13 таблиць, 20 малюнків і список використаних джерел із 83 найменувань.

Основний зміст роботи

виробка шахта масив підземний

У табл. 1 приведені основні показники діяльності державної холдингової компанії «Шахтарськантрацит» за останні 6 років. На рис. 1 і 2 показано ріст кількості прохідників, зайнятих на ремонті гірничих виробок, від загального їх числа, а також від загального числа підземних робітників. З графіків випливає, що за останні роки їх число зросло приблизно в 1,5 рази і на цей час понад 90% прохідників зайнято не проведенням нових виробок, а ремонтом існуючих і приведенням їх у стан, що відповідає вимогам «Правилам експлуатації». У цьому зв'язку дослідження, спрямовані на підвищення стійкості підготовчих виробок, є актуальними.

Як основні об'єкти досліджень були визначені шахта «Шахтарська-Глибока», шахтоуправління ім. 1 Травня, в яке входять як структурні одиниці шахта ім. 1 Травня і шахта ім. В.І. Чапаєва, і шахтоуправління ім. XVII Партз'їзду, що складається із двох шахт: ім. XVII Партз'їзду та №17.

Оцінка стана виробок була виконана на основі показника стійкості:

(1)

де загальне число рам кріплення;

- число рам, що потребують ремонту.

Всього було обстежено 32 виробки. При цьому вважалось, що показник стійкості пропорційний питомим витратам на ремонт - У. Для кожної виробки визначалися 13 основних чинників (ознак), що здогадно впливають на величину? або У:

Х1 - глибина закладення,

Х2 - протяжність,

Х3 - азимут проведення,

Х4 - середня притока води,

Х5 - крок кріплення,

Х6 - міцність на стиск порід основної покрівлі,

Х7 - міцність на стиск порід безпосередньої покрівлі,

Х8 - міцність на стиск порід безпосередньої підошви,

Х9 - міцність на стиск порід основної підошви,

Х10 - азимут простирання тріщин у породі,

Х11 - кут простирання тріщин у породі,

Х12 - азимут падіння тріщин у вугіллі,

Х13 - кут падіння тріщин у вугіллі.

На основі цих даних був виконаний багатофакторний аналіз і отримані відповідні математичні моделі: лінійні і нелінійні. При цьому використовувалися такі критерії: регулярності (AR), залишкової суми квадратів (RSS) і «ковзного контролю» (YKR). Схема розрахунків приведена в табл. 2.

В результаті розрахунків отримані такі рівняння регресії:

У= -4,14 Х7 + 5,882 Х3 + 3,095 Х1;

У= -0,61 Х3 Х8 Х211 + 0.73 Х10 Х11 + 0.59 Х11 - 0,2; (2)

У= -0,09 Х13 - 0.72 Х11 - 0,34 Х5 + 0,87 Х3.

Ці рівняння зводяться, по суті справи, до рівняння (3), що може бути прокоментоване у такий спосіб: стійкість виробки найбільш істотно залежить від азимута проведення виробки і кута падіння тріщин у породах:

У=У (Х3, Х11). (3)

Для перевірки цього висновку було виконане моделювання на еквівалентних матеріалах. Основні параметри порід, що вміщають, і еквівалентних сумішей наведені у табл. 5.

Еквівалентні суміші складалися на основі піску, парафіну, солідолу, графіту. Якісна картина поводження масиву навколо виробки при навантаженні оцінювалася шляхом виміру діагоналі фіксованого квадрата мірної сітки.

У результаті виконання лабораторних експериментів була підтверджена встановлена раніше закономірність про вплив азимута проведення виробки і кута падіння тріщин у масиві на стійкість виробки. Відзначено також, що виробки, які проходяться зі сторони висячого боку мають більш високу стійкість, ніж виробки, пройдені зі сторони лежачого боку. Ця обставина дозволила зробити такий висновок: стійкість підземної виробки у порідному масиві, що містить пласкі дефекти у вигляді тріщин (нашарувань) істотно і нелінійно залежить від азимута проведення виробки і кута нахилу плоских дефектів.

Для встановлення закономірності поводження породного масиву в окрузі пласких структурних елементів - тріщин була вирішена аналітична задача. Рішення виконане на персональній ЕОМ методом граничних елементів. Мова програмування - «Фортран». На рис. 4 наведена розрахункова схема до рішення задачі.

Імітувалося покрокове проведення виробки з запам'ятовуванням попереднього напруженого стану. На рис. 5 показані графіки, відповідні одному з цих покрокових рішень. На рис. 6 показано результуючий графік, із якого випливає, що стан виробки, її стійкість залежать від рівня концентрації напружень у привибійній області, що у свою чергу визначається азимутом проведення виробки і кутом нахилу тріщин.

Цей висновок ліг в основу такого твердження: рівень максимальних напружень перед вибоєм виробки, проведеної зі сторони лежачого боку, у 2-3 разу вище, ніж для виробки, проведеної зі сторони висячого боку стосовно пласких дефектів.

Сукупність викладених вище досліджень дозволила зробити загальний висновок, що сформульовано у такий спосіб: експериментально встановлена невідома раніше закономірність зміни стійкості оголень у виробках, утворених у порідному масиві, який має структурні дефекти у вигляді площин ослаблень (типу тріщин або нашарувань), і яка полягає в тому, що стійкість порідних оголень, утворених під кутом до площин ослаблень зі сторони лежачого боку зменшується в порівнянні із стійкістю порідних оголень, які утворені із сторони висячого боку, що обумовлено різною концентрацією напружень.

Цей висновок зареєстрований як наукове відкриття Міжнародним комітетом по науковим відкриттям за №А-156 від 12 грудня 1999 р.

Практично отримані результати були використані при дослідженні варіантів розвитку гірничих робіт на шахті «Шахтарська-Глибока».

Висновки

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій отримане нове рішення актуальної науково-технічної задачі, що полягає в обґрунтуванні закономірності змінення стійкості порідних оголень у виробках, проведених у структурно-неоднорідному порідному масиві.

Основні наукові і практичні результати полягають в наступному:

1. Встановлено, що важливий структурний елемент шахти - підготовчі виробки - із збільшенням глибини розробки істотно втрачають стійкість. Це утруднює можливість їх експлуатації у разі повторного використання. Число прохідників збільшилося в останні роки в 1,5 рази, а кількість прохідників, зайнятих на виконанні ремонтних робіт, складає 90-93% від загального їх складу.

2. Розроблена методика збору й опрацювання статистичного матеріалу по оцінці стійкості підготовчих виробок. Виконані на її основі розрахунки показали, що виробки, пройдені тим самим способом в однакових гірничо-геологічних і гірничотехничних умовах, але в різних напрямках (наприклад, західні і східні) мають істотно різну стійкість. Показники стійкості для них відрізняються в 1,5-3,0 рази і більш.

3. Поставлена і вирішена на основі методу граничних елементів задача про напружений стан порідного масиву навколо проведеної виробки, пересіченої тріщиною. Встановлено, що найбільш істотним чинником, що робить вплив на стійкість виробок, є кут зустрічі проведеної виробки з площиною тріщини (тріщин).

4. Визначені закономірності і встановлені причини, що визначають зміну напружено-деформованого стану порідного масиву попереду вибою виробки, що проводиться відносно пласких структурних елементів - тріщин.

5. У зв'язку з відзначеною закономірністю рекомендується при проектуванні гірничих робіт планувати їх таким чином, щоб напрямок їх проведення відбувався, в основному, із сторони висячого боку стосовно основної системи тріщин у породах покрівлі.

Список опублікованих робіт здобувача за темою дисертації

1. Агєєв В.Г., Тулуб С.Б., Мартиненко С.В. Перспективи інвестиційних проектів у Донбасі. Науковий вісник НГАУ, 1999, №3, с. 14.

2. Агєєв В.Г., Проблема устойчивости подготовительных выработок в условиях шахт ГХК «Шахтерскантрацит», Науковий вісник, НГАУ, 1999, №4, С. 16-18.

3. Агеев В.Г., Кужель С.В., Сдвижкова Е.А., Тулуб С.Б., Шашенко А.Н. Исследование влияния угла падения трещин на устойчивость обнажений. Науковий вісник НГАУ, 1999, №5, с. 6-8.

4. Агеев В.Г., Сдвижкова Е.О. К вопросу о влиянии геологического нарушения на состояние приконтурных пород подготовительной выработки. Науковий вісник НГАУ, 1999, №6, с. 28-29.

5. Agejev V.G., Panishko A.J., Tulub S.B. Providing stability of reentrant developvtnts. /Mine Planning and Equipment Selection & Environmental and Economical Issues.-Dnepropetrovsk. NMUU, 1999, c. 297-299.

Размещено на Allbest.ru