Обґрунтування параметрів способу активного попереднього розвантаження порід підошви при проведенні підготовчих виробок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 622.261.27

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Обґрунтування параметрів способу активного попереднього розвантаження порід підошви при проведенні підготовчих виробок

Спеціальність: 05.15.02

"Підземна розробка родовищ корисних копалин"

Куленіч Богдан Ілліч

Донецьк 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Донбаському гірничо-металургійному інституті (ДГМІ) Міністерства освіти України, м. Алчевськ

Науковий керівник:

- доктор техн. наук, проф, зав. Литвинський Гаррі Григорович

Офіційні опоненти:

- доктор техн. наук, проф., Усаченко Борис Миронович

- кандидат техн. наук, доц., Петренко Юрій Анатолійович

Провідна установа: Національна гірнича академія України Міністерства освіти України, кафедра підземної розробки родовищ, м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться " 17" березня 2000 року о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.05 при Донецькому державному технічному університеті за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 1 уч. корпус, ауд.201.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького державного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 2 уч. корпус.

Автореферат розісланий "27" сiчня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор техн. наук, проф. М.Р.Шевцов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У теперішній час істотно ускладнилися умови вуглевидобутку, зросли глибина розробки, газоносність і викидонебезпечність розроблюваних пластів, погіршився температурний режим. Зі збільшенням глибини розробки посилилися прояви гірничого тиску, що призвело до зниження стійкості породного контуру виробок і погіршення параметрів ведення буро-підривних робіт (БПР). При цьому найбільш інтенсивні прояви гірничого тиску спостерігаються у вибої гірничих виробок, де формується основа стійкості породного контуру (у безпосередній близькості від вибою), котра багато в чому визначає наступний експлуатаційний стан виробки і область деформацій розтягу (перед вибоєм), від чого залежить ефективність буро-підривних робіт.

З різноманітних способів підтримки підготовчих виробок і збільшення швидкості їх проведення найбільш перспективними є активні способи управління напружено-деформованим станом (НДС) масиву, суть яких полягає в цілеспрямованій зміні НДС гірничих порід навколо виробки. Проте існуючі способи підвищення стійкості виробки, як правило, здійснюють після її проведення поза зоною впливу вибою, що знижує їх ефективність. Тому розробка й обґрунтування способів управління НДС масиву навколо виробки, суміщених із технологією її проведення з метою забезпечення стійкості породного контуру і підвищення швидкості проходки, є актуальною задачею.

Рішення цієї задачі можливо досягти шляхом управління станом масиву навколо виробки безпосередньо у її вибої перед початком розвитку гірничого тиску, одночасно підвищуючи ефективність буро-підривних робіт при її проведенні.

Одним із таких способів є активне попереднє розвантаження порід (АПР) підошви перед вибоєм виробки камуфлетними зарядами вибухової речовини (ВР). Проте основні параметри способу (глибина, довжина, ступінь розвантаження порід, число розвантажувальних шпурів і ін.) до цього часу не визначені, і немає методик їхнього розрахунку.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертація виконана відповідно до тематичних планів науково-дослідних робіт ДГМІ, проведених за завданням Мінвуглепрому к. СРСР, Міністерства освіти України, і відбита у звітах НДР (№ дер. реєстрації 01880020200, 01934007967).

Мета та завдання дослідження.

Мета роботи - обгрунтування параметрів способу активного попереднього розвантаження порід підошви при проведенні підготовчих виробок, призначеного для підвищення їх експлуатаційної стійкості і ефективності підривного руйнування порід у вибої.

Ідея роботи полягає в попередньому розвантаженні порід підошви перед вибоєм виробки використанні досягнутого ефекту розвантаження при її експлуатації.

Для досягнення зазначеної мети поставлені і вирішені такі задачи:

досліджені закономірності розподілу напружень навколо виробки при створенні штучної області тріщинуватості в її підошві перед вибоєм;

обґрунтовані геомеханічні параметри способу (форма, ступінь і розміри області розвантаження) управління напруженим станом масиву гірничої виробки при повному і частковому розвантаженні порід підошви;

розроблені технологічні параметри способу, методики їх розрахунку і паспорти БПР із розвантаженням порід підошви при проведенні підготовчих гірничих виробок;

проведені шахтні випробування і впровадження способу АПР, оцінені його техніко-економічна ефективність і область застосування.

Методи досліджень. Основу виконаної роботи становлять: аналіз і узагальнення виконаних раніше досліджень і накопиченого виробничого досвіду; аналітичні та чисельні дослідження напружено-деформованого стану масиву навколо виробки при розвантаженні порід підошви, виконані методом скінченних елементів (МСЕ); узагальнення результатів чисельного експерименту статистичними методами на ПЕОМ; експериментальні дослідження технологічних параметрів способу активного попереднього розвантаження порід з опрацюванням даних на ПЕОМ методами математичної статистики; шахтні випробування і впровадження розробленого способу розвантаження порід підошви, техніко-економічний аналіз його ефективності.

Наукові положення і результати, що захищаються, і їхня новизна:

управління напруженнями навколо проведеної виробки забезпечується активним попереднім розвантаженням порід підошви вибуховим способом, при цьому ступінь розвантаження, визначенний по інтенсивності тріщинуватості порід, повинен бути: більш 0,5 для підвищення стійкості виробки (коефіцієнт тріщинуватості попередньо висаджених порід підошви k_тр 0,03) і не менше 0,7...0,8 для підвищення ефективності буро-підривних робіт (k_тр > 0,06...0,08);

основним параметром, що збільшує стійкість виробки, є глибина h_р області розвантаження, а параметром, який підвищує ефективність буро-підривних робіт, - її довжина l_р, величини котрих доцільно змінювати для міцних порід вибою у межах 0,5 l_p/h_в 0,75, а для нестійких порід навколо виробки в діапазоні 0,25 h_p/h_в 0,75 (де h_в - висота виробки);

зміна форм областей штучної тріщинуватості порід (аркова прямокутна, еліптична) не знижує ефективності розвантаження, якщо відношення довжини l_р і глибини h_р розвантаження до висоти гірничої виробки h_в витримується в межах 0,25...0,75, при цьому ширина області розвантаження r_x повинна становити не менше половини ширини виробки.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій, наведених у дисертаційній роботі, підтверджується:

обґрунтованим і достатнім обсягом шахтних інструментальних спостережень і лабораторних досліджень, проведених при спорудженні виробок у слабких (ш. "Самсонівська-Західна") і міцних (ш. "Комсомольська") породах;

застосуванням при проведенні шахтних і лабораторних експериментальних досліджень апробованих методів і приладів, які пройшли метрологічну атестацію і забезпечують необхідну точність вимірів ( 5...10%);

успішною апробацією і наступним використанням на шахтах розроблених паспортів БПР з АПР порід підошви для підвищення експлуатаційної стійкості підготовчих виробок і ефективності ведення підривних робіт.

Наукове значення роботи полягає в:

установленні закономірностей розподілу напружень навколо виробки в залежності від геомеханічних параметрів розвантаження (форми, ступеня і розмірів області розвантаження);

одержанні аналітико-експериментальних залежностей з оцінки глибини області розвантаження від впливу гірничотехнічних факторів;

отриманні емпіричних виразів для визначення коефіцієнтів ефективності розвантаження і розмірів області розвантаження з максимальних і мінімальних напружень, що діють перед вибоєм;

визначенні технологічних параметрів розвантаження порід підошви перед вибоєм (радіуса тріщинуватості, кількості розвантажувальних шпурів, відстані між ними і кута їх нахилу до горизонту).

Практичне значення отриманих результатів полягає в:

розробці методики для визначення геомеханічних і технологічних параметрів активного попереднього розвантаження порід підошви перед вибоєм виробки, котра відрізняється тим, що вперше врахований ступінь розвантаження порід від напружень через відношення модулів деформації порід після і до вибуху та визначений його вплив на ефективність розвантаження за критерієм зниження напружень на контурі виробки;

забезпеченні стійкості контуру при проведенні виробки по слабких породах, схильних до здимання й обвалення, зменшенню переборів породи в покрівлі на 68%, у боках на 25% і можливості зниження матеріалоємності кріплення в середньому на 33...50% за рахунок збільшення відстані між рамами або полегшення кріплення;

усуненні вибивання й пошкодження кріплення виробок вибухом, підвищенні швидкості її проведення по міцних породах шляхом збільшення КВШ від 0,8 до 0,9...0,95; зменшенні кускуватості і відкиданні породи від вибою виробки відповідно на 30...50%, що дозволяє більш ефективно використовувати навантажувальне обладнання;

розробці і впровадженні нових паспортів буро-підривних робіт з розвантаженням порід.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи. Результати досліджень випробувані і впроваджені при спорудженні виробок у слабких (ш. "Самсонівська-Західна") і міцних (ш. "Комсомольська") породах, а також використані в навчальному процесі при підготовці бакалаврів та інженерів гірничих спеціальностей.

Економічний ефект, отриманий від упровадження результатів досліджень, становив 32939 грн. на 100 м гірничої виробки (у цінах 1997 - 1998 рр.).

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися і були схвалені на 9 регіональних науково-технічних конференціях, проведених у ДГМІ (м. Алчевськ, 1990-1998 рр.), на міжнародній науково-практичній конференції "Гірнича промисловість і наука на початку III тисячоліття" ДГМІ (м. Алчевськ, 1999 р.), на технічних радах комбінату "Ворошиловоградшахтобуд" (1988 р.), ВО "Краснодонвугілля" (1989 р.), "Свердловськантрацит" (1991 р.), "Антрацит" (1989 р.) і ДВАТ ш. "Комсомольська" ДХК "Антрацит" (1998 р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 6 наукових робіт.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів і висновку, викладених на 155 сторінках машинописного тексту, включаючи 31 рисунок, 14 таблиць, перелік посилань на 115 джерел, а також 10 додатків.

попереднє розвантаження порода підошва

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Дослідження з управління НДС масиву з метою підвищення швидкості проходки та експлуатаційної стійкості підготовчих гірничих виробок проведені в багатьох наукових організаціях і вузах України та країн СНД, зокрема, НГА України, ДонДТУ, ДГМІ, ІГТМ НАН України, ІГД ім. А.А. Скочинського, Інститут Вугілля СВ РАН, КрДТУ, КузДГУ, МДГУ, С.-ПДГУ (І) та ін.

Аналіз робіт, присвячених управлінню НДС масиву, показав, що існує два незалежних підходи, які пов'язані з рішенням задач проведення і підтримки підготовчих виробок. Мета першого - забезпечення експлуатаційної стійкості породного контуру гірничої виробки, а мета другого - підвищення швидкості проходки.

У першому випадку способи, спрямовані на підвищення стійкості гірничих виробок, часто не пов'язані з технологією її спорудження і, у ряді випадків, знижують темпи проходки через проведення трудомістких додаткових робіт. У другому - засновані на удосконалюванні паспортів БПР (врубів, схем розміщення шпурів і зарядів ВР у вибої, послідовності підривання зарядів ВР та ін.). При цьому приділяється основна увага збільшенню темпів проходки, і разом з тим випускається з полю зору стійкість виробки. Тому для підвищення стійкості породного контуру підготовчих гірничих виробок і швидкості їх проведення доцільні активні способи впливу на масив у процесі їх спорудження. Одним із таких способів є активне попереднє розвантаження порід (АПР) підошви перед вибоєм виробки камуфлетними зарядами ВР.

Суть способу АПР (рис.1) полягає в штучному створенні перед вибоєм у підошві виробки області розвантаження 1, відділеної тріщинами від іншого масиву, шляхом підривання камуфлетних зарядів ВР у розвантажувальних шпурах 2. Тим самим формують новий контур виробки, близький до теоретичного обрису зі співвідношенням горизонтальної а і вертикальної в півосей, рівним коефіцієнту бічного розпору масиву : а/в = . Це приводить до підвищення стійкості гірничих порід шляхом забезпечення найбільш раціональної нової форми виробки, при цьому її технологічний поперечний переріз залишається найбільш зручним для експлуатації. Крім того, в результаті розвантаження порід підошви перед вибоєм виробки збільшується область деформації розтягу, що створює більш сприятливі умови для руйнування порід енергією вибуху.

Проте основні параметри способу (глибина, довжина, ступінь розвантаження, кількість розвантажувальних шпурів та ін.) не були встановлені і була відсутня достовірна методика їх розрахунку.

Виходячи з цього, були поставлені такі задачі досліджень:

дослідити закономірності розподілу напружень навколо виробки при створенні штучної області тріщинуватості в її підошві перед вибоєм;

обґрунтувати геомеханічні параметри способу (форму, ступінь і розміри області розвантаження) управління напруженим станом масиву гірничої виробки за повного і часткового розвантаження порід підошви;

розробити технологічні параметри, методику їх розрахунку і паспорти БПР з розвантаженням порід підошви при проведенні підготовчих гірничих виробок;

провести шахтні випробування і впровадження способу АПР, оцінити його техніко-економічну ефективність і область застосування.

Спочатку розглянута задача визначення напружень у масиві з протяжною виробкою довільної форми. Масив завантажений вертикальними Р і горизонтальними Р напруженнями. За базовий варіант був прийнятий розрахунковий алгоритм ДГМІ з визначення напружень на контурі виробки. У результаті була отримана система нерівностей з оцінки необхідної глибини розвантаження порід підошви в залежності від основних гірничотехнічних факторів (висоти h_в, ширини 2а, кривизни контуру в боках ₁ і покрівлі ₃, вихідного напруженого стану масиву (Р, Р,) і модуля деформації порід до E_o і після E_р розвантаження):

2а d^p₃/z₃ - h_в

h_рС_р 2а d^c₃/z₃ - h_в; (1)

2а z₁/d^c₁ - h_в

d^p₃ = (-^к_р/р - 1,2 + 0,2₃ + 0,85 + 0,15₃);

d^c₃ = (^к_с/р - 1,2 + 0,2₃ + 0,85 + 0,15₃);

d^c₁ = ^б_с/р - 1,2 + 0,2₁ + 0,85 + 0,15₁;

z₁ = (0,3 + 1,7₁); z3 = (0,3 + 1,7₃),

де _р, ^к_с, ^б_с - відповідно міцності порід на розтяг і стиск у покрівлі і боках виробки, МПа;

- показник нелінійності розвантаження.

C_р - ступінь розвантаження порід, що характеризує відносну зміну деформованих порід після підривного розвантаження:

С_р = 1 - E_р/E_o; (0 C_р 1). (2)

За відсутності розвантаження С_р = 0; за повного розвантаження С_р = 1.

Залежності (1) можна дати таку фізичну інтерпретацію. Ліва верхня нерівність виключає можливість руйнування порід у покрівлі від напружень розтягу, (при малих ). Нижня ліва - вказує на межу глибини розвантаження за умови забезпечення міцності порід ^б_с у боках виробки при дії напружень стиску, а права нерівність обмежує глибину розвантаження за умови дотримання міцності порід ^к_с у покрівлі на стиск.

Для практичного використання залежності (1) потрібно знати необхідний ступінь розвантаження С_р і значення показника . Для цього методом скінченних елементів (МСЕ) розв'язано комплекс задач про розподіл напружень навколо протяжної гірничої виробки (аркової, склепистої, прямокутної та інших форм), коли в її підошві створюють різні області розвантаження. При цьому варіювалися форми і ступінь розвантаження С_р.

В результаті рішення задач про розподіл напружень навколо протяжної виробки було встановлено, що:

- основним параметром, який збільшує стійкість виробки, є глибина h_р області розвантаження, котру доцільно змінювати в межах 0,25 h_p/h_в 0,75, що дозволяє підвищити стійкість виробки в 2,0...2,4 рази;

- зміна концентрації напружень на породному контурі гірничої виробки визначається ступенем розвантаження порід (відношенням модулів деформації порід після і до їх розвантаження), котрий має бути більш 0,5 у протяжній частині виробки;

- тангенціальні напруження в покрівлі гірничої виробки підвищуються на 23...70% при збільшенні глибини розвантаження з 0,25h_в до 0,75h_в, а в боках і підошві виробки - зменшуються відповідно на 12...15% і 72...75%;

- зміна форми областей штучної тріщинуватості не знижує ефективності розвантаження, коли відношення глибини h_р розвантаження до висоти гірничої виробки h_р приймається в межах 0,25...0,75.

Тангенціальні напруження на контурі виробки після розвантаження порід підошви можна визначити за формулою:

= ₀ + С_р (_р - ₀), (3)

де ₀, _р - відповідно напруження, що діють на контурі гірничої виробки до і після розвантаження порід підошви, МПа;

З формули (3) випливає, що якщо С_р = 0, то = ₀, тобто одержуємо напруження на вихідному контурі гірничої виробки (без розвантаження), а при С_р = 1, то = _р, - напруження на знов утвореному після розвантаження породному контурі. Напруження ₀ визначаються аналітико-експериментальним методом розрахунку КГМІ, а для обчислення _р цей метод був доповнений. Алгоритм і розрахункова схема методу подані на рис.2. Помилки апроксимації в порівнянні з розрахунками МСЕ не перевищують 11...16%.

Ефективність розвантаження Е_р можна оцінити як відношення:

Е_р = 1 - /₀ = С_р (_р/₀ - 1). (4)

Чим вище ефективність розвантаження Е_р, тим значніше знижуються напруження на контурі виробки.

Показник нелінійності розвантаження був отриманий шляхом обробляння методом найменших квадратів (МНК) результатів чисельних рішень МСЕ (помилка апроксимації не більше 10%):

= 0,6 (1 - е-) (0,35 0,3). (5)

Ці дослідження виконані в плоскій постановці (для протяжної гірничої виробки) і тому не придатні для визначення напружень перед вибоєм виробки після розвантаження порід у підошві, де для оцінки ефективності БПР задача потребує об'ємної постановки. Тому виконане чисельне рішення об'ємної задачі про зміну напружень навколо вибою виробки, коли перед ним у підошві створювали попереднім підриванням камуфлетних зарядів вибухової речовини область розвантаження глибиною h_р, довжиною l_р і шириною а r_x 2а. У незайманому масиві задавали нерівнокомпонентне поле вихідних напружень: _z = H; _х =_y = H. Розрахунки проводили для трьох основних схем навантажень: 1) _z = 1, _x = _y = 0 ( = 0); 2) _x = 1, _z = _y = 0 ( = ); 3) _y = 1, _z = _x = 0 ( = ). Це дозволяє відтворити довільне поле напружень масиву. Вихідні параметри при чисельному моделюванні варіювали в таких межах 0,25h_в l_р/h_в 0,75h_в; 0,25h_в h_р/h_в 1,0h_в і 0 С_р 1,0.

Деякі результати розрахунків подані у вигляді графіків на рис.3, з яких випливає, що за допомогою підривного розвантаження порід підошви можна значно знизити відносні вертикальні напруження ^z_о перед вибоєм, особливо коли С_р > 0,7 (рис.3,а). При цьому протяжність області мінімальних напружень становить 0,55h_в, а максимальні напруження відсунуться на відстань до 1,0h_в.

Більш істотні зміни вертикальних ^z_о (рис.3,б) напружень від довжини розвантаження l_р. З рис.3,б випливає, що при зміні глибини l_р розвантаження з 0,25h_в до 0,75h_в максимум напружень зрушиться з r_у = 0,3125h_в до r_у = 1,0h_в, збільшуючи область деформації розтягу. Аналогічно себе поводять після розвантаження порід і горизонтальні напруження ^x_о і ^y_о, з тією лише відмінністю, що вони, зменшуючись, переходять у напруження розтягу, створюючи значну область деформації розтягу перед вибоєм підготовчої виробки.

В результаті чисельного моделювання МСЕ об'ємної задачі встановлено, що:

- управління напруженнями перед вибоєм гірничої виробки досягається зміною ступеня розвантаження, котрий повинен бути не менше 0,7...0,9, що забезпечує зниження напружень у 1,2...1,54 рази;

- ширина області розвантаження r_х істотно не впливає на напружений стан перед вибоєм виробки (варіація в межах 9...12%), тому її можна приймати не менше 0,5...0,6 ширини виробки;

- основним параметром способу підвищення ефективності БПР є довжина l_р області розвантаження, розмір котрої доцільно змінювати в межах 0,5 l_p/h_в 0,75, що дозволяє збільшити швидкість проходки в 1,2...1,3 рази шляхом підвищення коефіцієнта використання шпурів із 0,75...0,8 до 0,90...0,95.

Обробкою МНК значень чисельних рішень МСЕ отримані вирази коефіцієнтів ефективності розвантаження (w^э) порід підошви (з максимальних і мінімальних напружень), котрі характеризують відносну зміну напружень перед вибоєм гірничої виробки, а також розміри області розвантаження (відстані до максимальних r^y_max (т.2^|, рис.3.б), мінімальних r^y_min напружень (т.1^|) і точки перетину кривих 2-4 з кривою 1 (т.3|)):

w^э_max = 0,6 l_р^0,4 (0,5 - r_z)С_р^2,5; w^э_min = -((1,8 - 18 r_x³) (0,5 - r_z)^0,8 С_р^2,5); (6)

r^y_max = 1,5 r_z⁰_,¹ l_р^0,7; r_y^min = 0,9 l_р^0,7; r^т_y = 1,6 l_р^0,7 r_z^0,2. (7)

Формули (6)-(7) придатні з точністю 8...15% при зміні параметрів способу в таких межах: 0,25 l_р/h_в 0,75; 0 r_z/h_в 0,5:0 r_x/h_в 0,5; 0 r_z/h_в 0,3125; 0 С_р 1,0.

Таким чином, визначені основні геомеханічні параметри способу АПР: глибина h_р, довжина області розвантаження l_р, ступінь зниження деформаційних властивостей порід C_р.

Крім геомеханічних параметрів способу АПР, визначалися і технологічні параметри розвантаження: радіус тріщинуватості порід r_t, величина заряду ВР q_з, кількість розвантажувальних шпурів N_р, відстань між ними r_ш і кут їхнього нахилу до горизонту.

Виходячи з умови перекриття сусідніх областей трішинуватості порід камуфлетними зарядами ВР, кількість розвантажувальних шпурів N_р і відстань між ними r_ш визначають за формулами:

N_р = 2r_x/r_t; r_ш = r_x/ N_р + 1, (9)

де r_x - ширина області розвантаження, м.

Маса q_з камуфлетного заряду ВР приймається з умови необхідного радіуса тріщинуватості і дотримання камуфлетності вибуху W > r_t, де W - лінія найменшого опору. За базову при обчисленні маси заряду вибухової речовини q_з (радіуса тріщинуватості порід r_t) прийнята емпірична формула проф. Г.І.Покровського, у якій врахований коефіцієнт працездатності ВР.

Довжину розвантажувальних шпурів вибирають виходячи з відстані r^y_max, на яку слід перемістити максимум напружень углиб вибою. Тому спочатку встановлюють довжину і глибину області розвантаження, потім визначають кут нахилу розвантажувальних шпурів і їхню довжину. Кут нахилу розвантажувальних шпурів можна варіювати в межах 30...60, а їх довжину - 0,25 l_р/h_в 0,75.

При реалізації способу АПР у вибої підготовчої виробки порядок підривання шпурів такий. Спочатку підривають розвантажувальні шпури перед вибоєм, потім - врубові, відбійні та інші. Щоб зміни напружено-деформованого стану масиву встигли відбутися, інтервал уповільнення після вибуху розвантажувальних шпурів треба приймати більше 25 мс.

Таким чином, проведені дослідження дозволили обгрунтувати геомеханічні і технологічні параметри способу АПР порід підошви перед вибоєм підготовчої виробки, що дозволило розробити методику їх розрахунку.

З метою промислової перевірки параметрів способу АПР були обрані підготовчі виробки, котрі проводяться буро-підривним способом у слабких породах (польовий північний і південний магістральні штреки гор. 956 м ш. "Самсонівська-Західна" ВО "Краснодон-вугілля", S_вч/S_св = 17,9/14,4 м², _с = 30...50) і в міцних породах (західний польовий відкотний штрек гор. 960 м ш. "Комсомольська" ДХК "Антрацит", S_вч/S_св = 17,9/13,8 м², _с = 80...120 МПа).

Шахтні інструментальні дослідження в цих виробках при звичайних параметрах БПР показали, що КВШ у середньому дорівнює 0,8...0,82 при глибині врубових шпурів 2,2 м. Перебори порід становили в боках 22...42 см, покрівлі 14...72 см. Навал (відкидання) породи знаходився в межах 11...13 м, спостерігалося вибивання рам кріплення й пошкодження затяжки. Крім того, інструментальними спостереженнями за зсувами підошви було встановлено, що підривання порід, як метод боротьби зі здиманням, мало ефективний і процес здимання не припиняється. Так, обсяг підривання порід за 5 місяців становив понад 6,5 м³ на 1 м довжини виробки (ш. "Самсонівська-Західна"). При цьому середня швидкість зсувів порід підошви становила 2...4 мм на добу.

Перевірка геомеханічних і технологічних параметрів способу АПР проводилася реометричними вимірами й інструментальними спостереженнями. Реометричними вимірами визначалися межі області розвантаження і коефіцієнти тріщинуватості до і після підривання камуфлетних зарядів ВР у підошві виробки. В результаті вимірів установлено, що довжина l_р (по осі виробки) і глибина h_р області розвантаження становить 2,0...2,5 м при коефіцієнті тріщинуватості 0,03 і вище

Залежність між розрахунковим значенням радіуса тріщинуватості і реометричними вимірами установлювалася методом кореляційного аналізу. Коефіцієнт кореляції становить 0,86...0,88, а коефіцієнт варіації знаходиться в межах 0,17...0,24, що вказує на достатню точність отриманих результатів.

Шахтні випробування і впровадження способу АПР порід підошви перед вибоєм підготовчої виробки показали, що завдяки застосуванню розвантаження підошви, були отримані такі результати: довжина заходки збільшилася на 0,14...0,35 м (7,5...17%); кускуватість порід зменшилася на 31,5%; розвал породи зменшився на 4,3...6,7 м (39,4...51%); КВШ збільшився на 0,06...0,15 (7,3... 19%); перебори порід зменшилися в покрівлі на 49,4 см (68%), а в боках виробки на 10,6 см (25%); пошкодження кріплення і затяжки від вибухів у вибої були цілком виключені.

Особливо ефективно розвантаження позначилося на зменшенні вивалів порід у покрівлі на 68%, що пояснюється зниженням напружень розтягу і стиску у породах покрівлі виробки в 1,8...2,1 рази. Це дозволяє знизити витрати на кріплення за рахунок збільшення кроку кріплення в середньому на 30...50%.

Інструментальними вимірами за зсувами породного контуру виробки на ділянках впровадження (північний і південний магістральні штреки, ш. "Самсонівська-Західна"), було встановлено, що створення області розвантаження в породах підошви призводить до припинення процесу здимання (період спостереження 90 діб). У той час на контрольних вимірювальних станціях зсуви порід підошви становили 90...120 мм/міс.

Економічний ефект при проведенні виробки по міцних породах за рахунок збільшення швидкості проходки на 20,5 м/міс. становить 329,39 грн/м.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі на підставі проведених теоретичних, експериментальних і шахтних досліджень розв'язана актуальна задача з обґрунтування параметрів способу активного попереднього розвантаження порід підошви, заснованого на закономірностях утворення області деформації розтягу перед вибоєм і призначеного для підвищення стійкості породного контуру підготовчої виробки та швидкості її проходки.

Основні наукові і практичні результати роботи такі:

1. Отримано вирази і системи нерівностей по оцінці необхідної глибини розвантаження порід підошви в залежності від основних гірничотехнічних факторів (висоти, ширини гірничої виробки, кривизни її контуру, вихідного напруженого стану масиву і зміни модуля деформації порід), підтверджена їхня придатність для інженерних розрахунків.

2. Доведено, що основним параметром способу збільшення стійкості виробки є відносна глибина h_p/h_в області розвантаження, а для підвищення ефективності БПР - відносна довжина l_p/h_в області розвантаження, розміри котрих доцільно змінювати в межах 0,5 l_p/h_в 0,75 - для міцних порід вибою і 0,25 h_p/h_в 0,75 - для нестійких порід навколо виробки. Це дозволяє збільшити швидкість проходки в 1,2...1,3 рази шляхом підвищення коефіцієнта використання шпурів (КВШ) із 0,75...0,8 до 0,90...0,95 і підвищити стійкість виробки в 2,0...2,4 рази, за рахунок формування нового контуру, близького до теоретичного обрису зі співвідношенням горизонтальної і вертикальної півосей, рівним коефіцієнту бічного розпору масиву.

3. Встановлено, що при управлінні стійкістю протяжної гірничої виробки і підвищенні ефективності БПР зміна концентрації напружень на породному контурі досягається ступенем розвантаження, котрий повинен бути не менше 0,7...0,9 перед вибоєм виробки і не менше 0,5 у її протяжній частині.

4. Показано, що різноманітні форми (прямокутна, еліптична, аркова) областей штучної тріщинуватості порід, а також ширина області r_х розвантаження за однакових глибини і ступеня розвантаження роблять незначний вплив на напружений стан порід навколо виробки, що дозволяє спростити технологію здійснення способу АПР.

5. Розроблено метод розрахунку розподілу напружень на контурі довільної форми виробки при АПР порід підошви, котрий відрізняється тим, що вперше враховано ступінь розвантаження порід від напружень через відношення модулів деформації порід після і до вибуху і його вплив на ефективність розвантаження, оцінюваного за зміною напружень на породному контурі. Визначено показник нелінійності розвантаження , котрий характеризує вплив інтенсивності тріщин на напружений стан навколишніх порід.

6. Встановлено, що розміщати врубові шпури у вибої треба на відносній висоті 0,125 r_z/h_в 0,30 від підошви виробки, оскільки в цій області створюються найбільш сприятливі умови для руйнування порід зарядами ВР.

7. Запропоновано вирази для визначення коефіцієнтів ефективності розвантаження і геометричних параметрів областей розвантаження, що дозволяє обгрунтувати необхідну глибину шпурів при складанні паспортів БПР. Визначено технологічні параметри способу АПР (кількість, довжина і кут нахилу розвантажувальних шпурів, ступінь уповільнення підривання зарядів ВР і радіус тріщинуватості порід) і обгрунтовано методику їх розрахунку.

8. Розроблені параметри способу АПР порід підошви було апробовано і впроваджено при спорудженні гірничих виробок у складних гірничо-геологічних умовах ш. "Самсонівська-Західна" ВО "Краснодонвугілля" і ш. "Комсомольська" ДХК "Антрацит". В результаті шахтних випробувань і впровадження способу в умовах слабких порід, схильних до здимання й обвалення (ш. "Самсонівська-Західна"), зменшено перебори порід у покрівлі на 68% і боках на 25%; зменшені кускуватість і відкидання породи відповідно на 32, 40%; в умовах міцних порід (ш. "Комсомольська") збільшена швидкість проведення виробки на 20,5 м/міс. шляхом підвищення КВШ із 0,8 до 0,9...0,95 і виключені пошкодження кріплення вибухом і необхідність його ремонту; зменшено відкидання породи від вибою уздовж виробки на 50%.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ

1. Куленич Б.И Исследование эффективности предврубовой разгрузки пород под забоем выработки// Строительство шахт, механика и разрушение горных пород: Сб. науч. тр. Ред. кол.: В.А.Давиденко (отв.ред.) и др. - Алчевск: ДГМИ, 1996. - С.145-148.

2. Литвинський Г.Г., Куленіч Б.І. Управління стійкістю гірничої виробки активним попереднім розвантаженням (АПР) порід у вибої// Відомості Академії гірничих наук України. - Кривий Ріг: Мінерал, 1997. - №3. - С.37-39.

3. Литвинский Г.Г., Куленич Б.И. Способ активной предварительной разгрузки пород под забоем выработки//Уголь Украины. 1998. -№ 4. - С. 16 - 17.

4. Литвинский Г.Г., Куленич Б.И. Исследование закономерностей распределения напряжений вокруг выработки при взрывной разгрузке почвы//Придніпровський науковий вісник. Технічні науки.- Дніпропетровськ: Наука і освіта.-1998. - №43(110).- С.21-25.

5. Куленич Б.И. Управление напряжениями на контуре выработки при полной разгрузке пород почвы//Сборник научных трудов. Вып.8. - Алчевск: ДГМИ, 1998. - С.37-41.

6. Мележик А.И., Куленич Б.И. Шахтные испытания технологии способа активной предварительной разгрузки (АПР) пород почвы//Перспективы развития горных технологий в начале третьего тысячелетия. Сборник научных трудов. - Алчевск: ДГМИ, 1999. - С.79-83.

Особистий внесок автора в роботи, опубліковані в співавторстві: (2) - визначив геомеханічні і технологічні параметри способу активного попереднього розвантаження; (3) - виконав рішення об'ємної задачі й обробку отриманих результатів; (4) - вирішив плоску задачу і здійснив обробку отриманих результатів; (6) - розробив паспорти БПР із розвантаженням порід, провів інструментальні виміри за показниками вибухів, обгрунтував економічну ефективність способу АПР.

АНОТАЦІЯ

Куленіч Б.І. Обґрунтування параметрів способу активного попереднього розвантаження порід підошви при проведенні підготовчих виробок. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.02 - підземна розробка родовищ корисних копалин. Донецький державний технічний університет, м. Донецьк, 2000.

Захищається дисертаційна робота, у якій подано нове рішення актуальної наукової задачі з обгрунтування параметрів способу активного попереднього розвантаження порід підошви, заснованого на закономірностях утворення області деформації розтягу у вибої і призначеного для підвищення стійкості породного контуру виробки і швидкості її проведення. Наведено методики розрахунку розподілу напружень на контурі довільної форми виробки і параметрів розвантаження порід підошви.

Ключові слова: підготовча виробка, стійкість, спосіб розвантаження порід, тріщинуватість, економічна ефективність.

АННОТАЦИЯ

Куленич Б.И. Обоснование параметров способа активной предварительной разгрузки пород почвы при проведении подготовительных выработок. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.02 - подземная разработка месторождений полезных ископаемых. Донецкий государственный технический университет, г. Донецк, 2000.

Защищается диссертационная работа, в которой дано новое решение актуальной научной задачи по обоснованию параметров способа активной предварительной разгрузки пород почвы, основанного на закономерностях образования области деформации растяжения впереди забоя и предназначенного для повышения устойчивости породного контура подготовительной выработки и скорости ее проходки.

Аналитическим методом получены зависимости и системы неравенств по оценке глубины разгрузки пород почвы подготовительной выработки в зависимости от основных горнотехнических факторов (размеров выработки, кривизны ее контура, исходного напряженного состояния массива и изменения модуля деформации пород) для случаев полной и частичной разгрузки пород почвы.

Численным моделированием на ЭВМ рассмотрен комплекс плоских и объемных задач по изменению напряжений вокруг подготовительной горной выработки. В результате установлено, что основными параметрами способа увеличения устойчивости выработки и эффективности БВР является соответственно относительная глубина h_p/h_в и длина l_p/h_в области разгрузки, которые целесообразно изменять в пределах 0,5 l_p/h_в 0,75 - для прочных пород забоя и 0,25 h_p/h_в 0,75 - для неустойчивых пород вокруг выработки. При этом степень разгрузки пород должна быть более 0,5 в ее протяженной части и не менее 0,7...0,9 впереди забоя выработки. Ширина области разгрузки не оказывает существенного влияния на напряженное состояние массива впереди забоя выработки (вариация в пределах 9...12%), поэтому ее можно принимать в пределах 0,5...0,6 ширины выработки. Различные формы (прямоугольная, эллиптическая, арочная) областей искусственной трещиноватости пород, при одинаковой глубине и степени разгрузки оказывают незначительное влияние на напряженное состояние массива вокруг выработки, что позволяет упростить технологию осуществления способа активной предварительной разгрузки (АПР) пород почвы.

Приведена методика расчета распределения напряжений на контуре произвольной формы выработки при разгрузке пород почвы, позволяющая определить изменение устойчивости породного контура в зависимости от степени и глубины разгрузки. Методом наименьших квадратов определен показатель нелинейности разгрузки пород , характеризующий влияние интенсивности трещин возникающих от взрывов камуфлетных зарядов ВВ на напряженное состояние окружающих пород.

Обработкой методом наименьших квадратов значений численных решений методом конечных элементов получены выражения коэффициентов эффективности разгрузки пород почвы (по максимальным и минимальным напряжениям), характеризующие относительное изменение напряжений впереди забоя горной выработки, а также размеры области разгрузки (расстояния до максимальных, минимальных напряжений). Определены технологические параметры способа АПР пород и приведена методика их расчета.

Проверка параметров способа АПР проводилась реометрическим методом и инструментальными наблюдениями. Реометрическими замерами определялись границы области и коэффициенты трещиноватости до и после взрывания камуфлетных зарядов ВВ в почве выработки. В результате замеров установлено, что длина (по оси выработки) и глубина области разгрузки составляет 2,0...2,5 при коэффициенте трещиноватости 0,03.

Шахтные испытания и внедрение способа АПР пород почвы перед забоем показали, что благодаря применению разгрузки почвы: длина заходки увеличилась на 17%; кусковатость пород уменьшилась на 32%; развал породы уменьшился на 50%; КИШ увеличился на 19%; переборы пород уменьшились в кровле на 68%, а в боках выработки на 25%.

Ключевые слова: подготовительная выработка, устойчивость, способ разгрузки пород, трещиноватость, экономическая эффективность.

THE SUMMARY

Bogdan I. Kulenich. A substantiation of parameters of a method of an active preliminary unloading of rock of ground at driving of preparatory developments. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering sciences on speciality 05.15.02 - "Underground development of deposits of minerals". - Donetsk State Techical University Ministry of Educftion of Ukraine, Donetsk, 2000.

The dissertation's work is protected, in which the new solution of the actual scientific task on a substantiation of parameters of a method of an active preliminary unloading of rock of floor, based on regularities, of area of a strain of expansion in a drift and intended for a raise of a stability of rock's counter of preparatory development and velocity it driving is given. The techniques of account of distribution of stresses on an outline of the arbitrary form of development and parameters of unloading the rocks of floor. Before a face of opening are reduced.

Key words: opening, stability, a mode of unloading rocks, crack, economic efficiency.

Куленіч Богдан Ілліч

Обґрунтування параметрів способу активного попереднього розвантаження порід підошви при проведенні підготовчих виробок

(Автореферат)

Підписано до друку 24.01.2000 р. Формат 30х42/4.

Папір Роispееd. Ризографія. Усл. печ. лист 1,0.

Тираж 110 экз. Зам. № 538. Безплатно.

Видавничо-поліграфічний центр

Донбаського гірничо-металургійного інституту.

94204, м. Алчевськ, пр. Леніна, 16, 2113.

Размещено на Allbest.ru

...