Раціональне планування очисних робіт при надробці польових та групових виробок

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ВІДДІЛЕННЯ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИХ ГІРНИЧИХ ПРОБЛЕМ

ДОНЕЦЬКОГО ФІЗИКО-ТЕХНІЧНОГО ІНСТИТУТУ

ІМ. О.О. ГАЛКІНА

УДК 622.833:622.26

РАЦІОНАЛЬНЕ ПЛАНУВАННЯ ОЧИСНИХ РОБІТ ПРИ НАДРОБЦІ ПОЛЬОВИХ ТА ГРУПОВИХ ВИРОБОК

05.15.02. - “Підземна розробка родовищ корисних копалин”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук

Красько Микола Іванович

Донецьк - 2001



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому учбово-науково-виробничому гірничому об'єднанні

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, Назимко Віктор Вікторович, професор Донецького національного технічного університету

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент, Антіпов Ігор Владиславович, Відділення фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАНУ, провідний науковий співробітник відділу фізики гірських порід (м. Донецьк)

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, Курносов Анатолій Тимофійович, Інститут геотехнічної механіки НАН України, старший науковий співробітник відділу проблем розробки родовищ на великих глибинах (м. Дніпропетровськ)

Провідна установа: Національна гірнича академія України, Міністерство освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Захист дисертації відбудеться 6 грудня 2001 р. в 12⁰⁰ годин на засіданні спеціалізованої вченої ради К.11.184.02 у Відділенні фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАНУ за адресою: 83114, м. Донецьк, вул. Рози Люксембург, 72.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Відділення фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАНУ за адресою: 83114, м. Донецьк, вул. Рози Люксембург, 72.

Автореферат розісланий 2 листопада 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

канд. техн. наук Піталенко Є.І.



АНОТАЦІЯ

Красько М.І. Раціональне планування очисних робіт при надробці польових та групових виробок. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук по спеціальності 05.15.02 - “Підземна розробка родовищ корисних копалин”. - Відділення фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАНУ, Донецьк, 2001. виробка лава гірничий

Дисертація присвячена рішенню актуальної задачі - забезпечення стійкості підготовчої виробки при її надробці лавою, що примикає до раніше виробленого простору шляхом розробки нового планування гірничих робіт. При цьому здійснюється управління конфігурацією суцільного виробленого простору лав, що примикають одна до одної, порядком відробляння цих лав і взаємним розташуванням цього простору і траси надробленої виробки, при яких досягається мінімізація проявів гірського тиску навколо неї.

У дисертації вирішені наступні задачі досліджень: вивчені особливості деформування і руйнування виробки при її надробці лавою, що примикає до раніше виробленого простору; розроблене і геомеханічно обгрунтоване нове планування очисних робіт, при якому мінімізуються негативні прояви надробки; проведена промислова перевірка і впровадження нового планування.

Ключові слова: надробка, стійкість, примикаюча лава, підготовча виробка, інструментальні спостереження, моделювання.



ANNOTATION

Krasko N.I. Optimal panel layout for overmining of mains by a panel that is adjacent to a gob. Manuscript.

Thesis submitted for a candidate of technical sciences degree in the field 05.15.02 - “Underground mining of the deposits of mineral resources”. - Department of Physic-Technical mining problems DonPTI, Ukrainian National Academy of sciences, Donetsk, 2001.

Mains stability has been enhanced by optimal panel layout that are extracted over the underground openings. Specific configuration of the layout, consequence of panel extraction, and specific positioning of the panels and the mains have been used to minimize ground pressure in vicinity of the openings.

The thesis includes an array of the problems that have been successfully solved, namely behavior of surrounding rock mass has been investigated under impact of overmining; new panel layout was developed; this layout reduces negative effect of the overmining; the layout has been introduced into practice of a coal mine.

Key words: overmining, stability, panel adjacent to a gob, mains, actual measurements, simulation.



АННОТАЦИЯ

Красько Н.И. Рациональное планирование очистных работ при надработке полевых и групповых выработок. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.02 - “Подземная разработка месторождений полезных ископаемых”. - Отделение физико-технических горных проблем ДонФТИ им. А.А.Галкина НАНУ, Донецк, 2001.

Диссертация посвящена решению актуальной задачи - обеспечение устойчивости подготавливающей выработки при ее надработке примыкающей к ранее выработанному пространству лавой путем разработки новой планировки горных работ. При этом осуществляется управление конфигурацией сплошного выработанного пространства примыкающих друг к другу лав, порядком отработки этих лав и взаимным расположением этого пространства и трассы надрабатываемой выработки, при которых достигается минимизация проявлений горного давления в ее окрестности.

Проведен детальный анализ результатов шахтных инструментальных наблюдений за особенностью проявления последующей надработки на шахтах Донецко-Макеевского угольного региона Донбасса и осуществлен анализ данных микросейсмического мониторинга разрушения толщи массива горных пород при его сдвижении в процессе отработки примыкающей к ранее выработанному пространству лавы. Установлено, что в зоне наложения остаточного и динамического опорного давления в процессе надработки подготовительной выработки, примыкающей к ранее выработанному пространству лавой наблюдаются деформации ее сечения, величины которых в 1,4-3 раза превышают максимальные деформации, соответствующие случаю надработки одиночной лавой в тех же условиях. При этом определена существенная закономерность интенсификации процессов разрушения горного массива в примыкающих к ранее выработанным пространствам зонах, заключающаяся в том, что в окрестности зоны наложения остаточного и динамического опорного давления возникают наиболее интенсивные процессы разрушения толщи как впереди движущейся лавы, так и позади ее в зоне разгрузки, причем интенсивность разрушений на 35-40% выше по сравнению с той, которая имеет место в центре лавы.

Разработана и обоснована новая планировка очистных работ, при которой надработка полевых и групповых выработок при которой используется резерв устойчивости выработок без применения дополнительных затрат. При этом формируют ступенчатую границу сплошного выработанного пространства, а надрабатываемые выработки располагают по касательной к вогнутым угловым участкам этого пространства, причем используется специальный порядок отработки выемочных столбов в пределах крыла панели, блока или горизонта, при котором выступающие лавы отрабатываются последними.

Проведено математическое моделирование предложенного варианта планировки горных работ методом тонкой плиты на неоднородном основании для типичных условий Донецко-Макеевского региона Донбасса. Установлено, что при надработке выработки согласно новой схеме планировки концентрация горного давления не превышает 1,5-1,75. Это существенно улучшает состояние выработки благодаря нелинейности связи между уменьшением площади ее сечения и критерием устойчивости вмещающих пород. Благодаря новой планировке горных работ совокупный уровень горного давления впереди и позади надрабатывающей лавы уменьшается на 12_22%, что уменьшает потерю площади сечения надрабатываемой выработки на 29_52% благодаря нелинейности зависимости между уменьшением площади сечения и величиной критерия устойчивости массива.

Достоверность указанного эффекта подтверждена специальными исследованиями механизма развития зон разрушения вокруг надрабатываемой выработки нелинейным методом конечных элементов При этом соотношение размеров зоны разрушений и величин концентраций горного давления в окрестности подготовительной выработки совпали с точностью до 7%.

Проведена промышленная проверка новой планировки очистных работ при последующей надработке полевых и групповых выработок примыкающими к ранее выработанным пространствам лавами на двух шахтах Донецко-Макеевского региона Донбасса. Первый эксперимент показал уменьшение на порядок скорости конвергенции в экспериментальных выработках и уменьшение ее абсолютной величины в 2 раза. При этом дополнительно добыто около 29 тыс. тонн угля. С учетом затрат на проведение работ по усилению крепи надрабатываемых выработок при их попадании в зону повышенного горного давления, общий экономический эффект при надработке составил 1167 тысяч гривен. По результатам второго эксперимента ожидаемый экономический эффект от внедрения новой планировки составит 41 тыс. гривен на разовое перекрепление 120 метров надрабатываемых выработок в зоне ПГД.

Ключевые слова: надработка, устойчивость, примыкающая лава, подготавливающая выработка, инструментальные наблюдения, моделирование.



ВСТУП

Актуальність теми дисертації.

Розвиток гірських робіт на шахтах України досяг таких масштабів, при яких взаємний вплив очисних і підготовчих робіт став однією з основних причин втрати стійкості підготовчих виробок, від стану яких залежить надійність роботи всієї шахти. Зокрема, подальшу надробку зазнають від 15 до 30% польових і групових виробок. Оскільки процес подальшої надробки є вельми важким геомеханічним випробуванням для підготовчих виробок, масштаби збитків від втрати їх стійкості складають від 25 до 40 млн. гривень в рік на шахтах типового середнього вугільного об'єднання.

Незважаючи на значний об'єм наукових досліджень, проведених ДонДТУ, ВНДМІ, УкрНДМІ, ІГС СО РАН, а також вченими Казахстану, Китаю та інших вугледобувних країн, проблема стійкості підготовчих виробок при їх подальшій надробці залишається невирішеною, що обумовлює постійне зростання вищезазначених збитків. Виконані раніше дослідження дають ефективні рішення по забезпеченню стійкості виробок, в основному, при надробці їх одиночними лавами, що характеризується відносно легкими умовами надробки і зустрічається вельми рідко. Як вже згадувалося, польові і групові виробки надроблюють, як правило, лавами, що примикають до раніше виробленого простору. У зв'язку з цим, дослідження механізму перерозподілу гірського тиску навколо виробки, що надроблюється лавою, що примикає до раніше виробленого простору, і дослідження руйнування порід навколо неї є актуальною науковою задачею. Знання особливостей вказаного механізму дає можливість розробити нові варіанти планування гірничих робіт, при яких мінімізуються негативні наслідки надробки підготовчих виробок лавами, що примикають до раніше виробленого простору.

Зв'язок дисертації з планами наукової роботи.

Виконана робота є складовою частиною наукових досліджень, що проводяться в Донецькому учбово-науково-виробничому гірничому об'єднанні і Донецькому гірничому інституті ДонДТУ за проблемами геомеханічного аналізу розвитку очисних робіт і повноти виїмки запасів (номер держреєстрації теми 0198U002310).

Ідея роботи складається в управлінні конфігурацією суцільного виробленого простору лав, що примикають одна до одної, порядком відробляння цих лав і взаємним розташуванням цього простору і траси виробки, що надроблюється, при яких досягається мінімізація виявів гірського тиску навколо неї.

Об'єктом досліджень є підготовча гірнича виробка.

Предметом досліджень є стійкість підготовчої гірничої виробки в зоні її надробки.

Метою роботи є розробка раціонального планування очисних робіт, що забезпечує підвищення стійкості польових і групових виробок при їх надробці лавами, що примикають до раніше вироблених просторів.

Задачі досліджень полягали в наступному: 1) виконати теоретичний аналіз апріорної інформації за проблеми забезпечення стійкості гірничих виробок при їх надробці з позиції її застосування як прогресивного способу зниження напружень навколо виробки для підвищення її стійкості; 2) дослідити особливості деформування виробки при її надробці лавами, що примикають до раніше виробленого простору; 3) розробити і геомеханічно обгрунтувати нове планування очисних робіт для подальшої надробки польових і групових виробок; 4) дослідити реакцію польової виробки на надробку при різній конфігурації сумарного виробленого простору; 5) провести промислову перевірку і впровадження розробленого планування гірничих робіт.

Для рішення поставлених задач використовувалися наступні сучасні методи наукових досліджень: шахтні інструментальні спостереження для дослідження особливостей деформування виробки при її надробці та встановлення ефективності розробленого планування гірничих робіт; методи механіки суцільних і дискретних середовищ (теорія плити на неоднорідній основі, метод кінечних елементів в нелінійній постановці процедури початкових напружень) для дослідження еволюції напруженого стану навколо лав, що надроблюють і дослідження напружено-деформованого стану масиву навколо виробки, що надроблюється.

На захист виносяться наступні наукові положення:

Встановлені кількісні характеристики прояву гірського тиску в зоні накладення залишкового і динамічного опорного тиску в процесі надробки підготовчої виробки лавою, що примикає до раніше виробленого простору, які відрізняються тим, що величини деформації перерізу виробки, що надроблюється, в 1,4-3 рази перевищують максимальні деформації, відповідні випадку надробки одиночною лавою в тих же умовах, причому навколо зони накладення залишкового і динамічного опорного тиску виникають найбільш інтенсивні процеси руйнування товщі як попереду лави, що рухається, так і позаду її в зоні розвантаження, при цьому інтенсивність руйнування на 35_40% вище в порівнянні з тією, яка має місце в центрі лави;

Встановлена закономірність зміни інтенсивності деформування перерізу виробки, що надроблюється, яка відрізняється тим, що зменшення концентрації гірського тиску на 12_21% дозволяє зберегти від 29 до 52% площі поперечного перерізу за рахунок нелінійності залежності величини деформації перерізу виробки від критерію стійкості уміщуючого масиву.

Уперше показане, що додаткові зсування між новим і раніше виробленим простором при злитті їх кутових частин мінімальний, оскільки площа масиву, через яку реалізуються додаткові зсування збільшується в початковий період взаємодії від нуля. Тому зона злиття кутових частин суміжних вироблених просторів є специфічним з точки зору геомеханіки місцем, яке вельми сприятливе для розташування виробки, що надроблюється. Саме на цій дільниці негативні вияви надробки лавою, що примикає до раніше виробленого простору, мінімальні.

Обгрунтована нова конфігурація суцільного виробленого простору при якій в процесі надробки виробки принаймні на 12-21% знижується концентрація опорного тиску попереду лави, що рухається, а також перепад напружень позаду її в момент переходу виробки в зону розвантаження, і на 28-34% зменшуються розміри зони руйнування навколо виробки, що надроблюється.

Наукове значення отриманих результатів складається в уточненні механізму взаємодії суміжних вироблених просторів лав та закономірностей деформування і руйнування порід навколо виробки, яку вони надроблюють.

Практичне значення отриманих результатів складається у наступному:

Розроблений новий метод та його раціональні параметри для подальшої надробки магістральних виробок лавою, що примикає до раніше вироблених просторів, заснований на застосуванні ступінчастої схеми планування крайових частин вироблених просторів зі спеціальною черговістю відробляння запасів в межах панелі, блоку або горизонту і таким розташуванням виробки, що надроблюється, відносно суцільного виробленого простору, при якому траса виробки дотична до виступаючих кутових частин крайової частини масиву. При цьому черговість відробляння лав, що примикають, та їх взаємне розташування з виробкою, що надроблюється, вибираються таким чином, щоб кожна чергова лава надробляла виробку як одиночна, що дозволяє позбутися несприятливого впливу прилеглих вироблених просторів.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи

На шахті “Південнодонбаська №1” проведена надробка східних польових штреків горизонту 480 м та дільниці їх сполучення 5_ю східною лавою пласта с₁₈ за розробленим способом ступінчастої конфігурації сумарного виробленого простору з малим відходом від розрізної печі лави. При цьому зменшена швидкість конвергенції у виробці на порядок (з 5_10 мм/добу до 0,5_1 мм/добу) в порівнянні з прототипом. Внаслідок проведеного експерименту додатково добуто біля 29 тис. тонн вугілля. З урахуванням витрат на проведення робіт по посиленню кріплення виробок, що надроблюються, при їх попаданні в зону ПГТ, загальний економічний ефект від впровадження нового способу надробки становив 1167 тисяч гривень.

На шахтах ДХК “Макіїввугілля” автором були запропоновані розроблені ним варіанти планування гірничих робіт при надробці основних виробок, що за результатами чисельного моделювання показало більшу в 2,5 рази ефективність їх впровадження в порівнянні з базовими варіантами (прийнятими на шахтах) з точки зору зменшення коефіцієнта концентрації гірського тиску і збереження робочого перерізу по трасі виробок, що надробляються. Очікуваний економічний ефект складає 410 гривень на погонний метр виробки в зоні ПГТ, що потенціально досягає в межах ДХК 500 тисяч гривень на рік.

Обгрунтованість і достовірність основних результатів роботи.

Достовірність і обгрунтованість результатів досліджень підтверджується достатньою кількістю проведених експериментів і вимірювань з точністю 20%, що забезпечує достовірність основних висновків про кількісні показники вияву гірського тиску при подальшій надробці товщі і підготовлюючої виробки; застосуванням взаємодоповнюючих сучасних методів механіки суцільних і дискретних середовищ (теорії плити на неоднорідній основі, методу кінечних елементів у нелінійній постановці процедури початкових напружень), які дали схожі результати прояву гірського тиску у виробці, що моделюється. Достовірність та ефективність розроблених заходів підтверджується позитивними результатами промислової перевірки.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульована ідея роботи, мета і задачі досліджень, основні наукові положення, висновки і практичні рекомендації. Ним розроблені концепція роботи і її головні науково-технічні принципи. Автор брав безпосередню участь в постановці досліджень, виборі методів, проведенні модельних і шахтних експериментів, розробці нових планувань гірничих робіт для забезпечення стійкості основних виробок при їх надробці. Самостійно виконаний аналіз результатів математичного моделювання і шахтних натурних спостережень. Текст дисертації викладений автором самостійно.

Випробування результатів дисертації проведене на: Міжнародному науковому симпозіумі “Тиждень гірника _ 99” (Москва, Росія, 3-7 лютого 1998, 25 _ 29 січня 1999); Міжнародній науково-практичній конференції “Гірничі промисловість і наука на початку третього тисячоліття” (Алчевськ, Україна, 21 _ 23 квітня 1999); Регіональній науково-практичній конференції “Пріоритети науково-технічного та іноваційного розвитку” (Донецьк, Україна, 28 _ 30 вересня 1999).

Основні результати досліджень опубліковані у 6_ти наукових статтях, з числа яких 4 у наукових фахових виданнях.

Структура роботи: дисертація містить вступ, 5 розділів, висновок і список використаних джерел з 115 найменувань. Викладена в рукопису на 137 стор. тексту, містить 56 рисунків та 1 додаток.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В умовах, коли вугільні шахти України вийняли біля половини підготовлених запасів практично завжди неминучий взаємовплив гірничих робіт у власному або в суміжних пластах. Дуже часто при цьому проводиться надробка основних підготовчих виробок, що є складним геомеханічним випробуванням з точки зору їх стійкості.

Незважаючи на значний об'єм наукових досліджень, проведених ДонДТУ, ВНДМІ, УкрНДМІ, ІГС СВ РАН, а також вченими зарубіжних вугледобувних країн, проблема стійкості підготовчих виробок при їх надробці залишається невирішеною, що обумовлює постійне зростання витрат на ремонт виробок, що надроблюються, та зниження надійності гірничих робіт загалом. Виконаний у розділі 1 (Стійкість гірничих виробок. Надробка як прогресивний спосіб зниження напружень навколо виробок для підвищення їх стійкості) аналіз раніше проведених незалежних досліджень показав, що вони дають ефективні рішення по забезпеченню стійкості виробок в основному при надробці їх одиночними лавами, що характеризується відносно легкими умовами надробки та зустрічається вельми рідко.

Як вже згадувалося, польові і групові виробки надроблюються, як правило, лавами, що примикають до раніше виробленого простору. Відомо, що при цьому виробки, які надроблюються, попадають в зону накладення залишкового і динамічного підвищеного гірського тиску, що вельми негативно позначається на їх стійкості. Однак кількісно міра впливу надробки лавами, що примикають, на стійкість основних підготовчих виробок і механізм втрати ними стійкості не досліджувався. З практики відомо лише, що локальними заходами типу посилення кріплення або зміцнення уміщуючих виробку порід забезпечити її стійкість в такій складній геомеханічній ситуації не вдається. З іншого боку, існуючі планувальні рішення також не забезпечують стійкість виробок, що надроблюються лавами, які примикають до раніш виробленого простору. Це ускладнює вибір раціональної технології надробки польових і групових основних підготовчих виробок у більшості випадків. У зв'язку з цим дослідження механізму перерозподілу гірського тиску і руйнування порід навколо виробки, яка надроблюється лавою, що примикає до раніше виробленого простору і руйнування порід є актуальною науковою задачею. Результати таких досліджень є геомеханічною основою для вибору раціональної технології надробки основних підготовчих виробок лавами, що примикають до раніше виробленого простору.

У зв'язку з цим метою даної наукової роботи є розробка і геомеханічне обгрунтування раціонального планування гірничих робіт у свиті зближених пластів при надробці польових і групових виробок очисними вибоями, що примикають до раніше виробленого простору для підвищення стійкості виробок. Для цього необхідно вирішити наступні задачі:

- дослідити особливості деформування і руйнування виробки при її надробці лавами, що примикають до раніше виробленого простору;

- розробити і геомеханічно обгрунтувати нове планування очисних робіт, при якому мінімізуються негативні прояви надробки;

- провести промислову перевірку і впровадження нового планування.

Для рішення поставленої задачі в роботі були застосовані сучасні методи досліджень, а саме: шахтні інструментальні спостереження за конвергенцією на контурі основних підготовчих виробок; методи комп'ютерного моделювання процесів перерозподілу гірського тиску навколо вироблених просторів і руйнування порід навколо основної підготовчої виробки: метод розривних переміщень; теорія еквівалентної плити на неоднорідній основі; метод кінечних елементів в нелінійній постановці процедури початкових напружень.

У розділі 2 (Дослідження особливостей деформування виробки при її надробці лавами, що примикають до раніше виробленого простору) проведений детальний аналіз результатів шахтних інструментальних спостережень за особливістю прояву подальшої надробки польового уклону на шахті “Чайкино”, конвергенції на контурі польових уклонів пласта m₃ при їх надробці в умовах шахти ім. К.І. Поченкова, деформації перерізу конвеєрного квершлагу третьою східною лавою пласта l₁ шахти ім. К.І. Поченкова, зміщень на контурі польового хідника в умовах шахти №10 “Чекіст” при його надробці. Додатково здійснений аналіз даних мікросейсмічного моніторингу руйнування товщі масиву гірських порід при його зсуванні в процесі відробки лави, що примикає до раніше виробленого простору.

Шахтні експерименти показали, що в зоні накладення залишкового і динамічного опорного тиску в процесі надробки підготовчої виробки, лавою що примикає до раніше виробленого простору спостерігаються деформації її перерізу, величини яких в 1,4 3 рази перевищують максимальні деформації, відповідні випадку надробки одиночною лавою в тих же умовах. При цьому визначена істотна закономірність інтенсифікації процесів руйнування гірського масиву у зонах, які примикають до раніше вироблених просторів. Вона полягає в тому, що навколо зони накладення залишкового і динамічного опорного тиску виникають найбільш інтенсивні процеси руйнування товщі як попереду лави, що рухається, так і позаду її в зоні розвантаження, причому інтенсивність руйнування на 35-40% вище у порівнянні з тією, яка має місце в центрі лави. Цей висновок не зовсім очевидний, оскільки раніше вважалося, що найбільш активні процеси руйнування відбуваються над середньою частиною виробленого простору, а в крайових частинах його породи схильні до зависання. Якщо висока інтенсивність попереду надробляючої лави очевидна і пояснюється накладенням зон ПГТ, то інтенсифікація процесів руйнування масиву позаду лави може бути тлумачена як дія підвищених дотичних напружень при переході від зони ПГТ в зону регіонального розвантаження. Саме в цій зоні за даними проф. Зборщика реалізовується більше половини зміщень на контурі виробки, що надробляється.

Звідси випливає низька ефективність напряму на забезпечення стійкості виробок локальними заходами при їх надробці лавами, що примикають до раніше виробленого простору. Потрібно взагалі уникати планувань, при яких на стійкість виробок впливають суміжні з раніше виробленим простором зони. Разом з тим, як вказувалося раніше, основні підготовчі виробки надробляють в більшості випадків саме примикаючими до раніше виробленого простору лавами.

У розділі 3 (Розробка і геомеханічне обгрунтування нового планування очисних робіт для подальшої надробки польових і групових виробок) розроблено і обгрунтовано нове планування очисних робіт, при якому надробка польових і групових виробок буде здійснюватися без впливу вищезгаданих несприятливих зон, дає можливість використати резерв стійкості виробок без застосування додаткових витрат.

На рис. 1 наведений один з численних варіантів планування гірничих робіт, на якому позицією лави №5 показана надробка виробки з малим відходом від розрізної печі (варіант 1), а позиціями лав №1_4 - надробка із зупинкою на мінімальній відстані від проекції виробки (варіант 2).

Ефективність першого варіанту заснована на тому, що величина зони опорного тиску обумовлюється мінімальним розміром виробленого простору. Тому, якщо лава устигає надробити виробку, відійшовши на мінімальну відстань від розрізної печі, то вплив опорного тиску і конвергенція у виробці, що надробляється також будуть мінімальними.

Відносно другого варіанту необхідно зазначити, що його ефективність буде виявлятися тільки в ситуаціях, коли деформація навколишніх порід протікає в основному в зоні дії дотичних напружень і лише частково в зоні ПГТ. При такому механізмі деформації виникає ситуація, коли накопичена конвергенція на контурі виробки буде ще істотно менше максимально допустимої, а виробка вже попадає в зону розвантаження.

Виходячи з вищенаведених міркувань пропонується нове планування розвитку гірничих робіт, яке більш повно використовує всі позитивні ефекти і резерви, що закладені у варіантах 1 і 2.

Суть методу, який пропонується полягає в тому, що формують ступінчасту границю суцільного виробленого простору, а виробки, що надробляються розташовують по дотичній до угнутих кутових дільниць цього простору, причому використовується спеціальний порядок відробляння виїмкових стовпів у межах крила панелі, блоку або горизонту, при якому виступаючі лави відпрацьовуються останніми (рис. 2).

Аналіз планів гірничих робіт шахт Донецко-Макіївського регіону Донбасу показав, що на багатьох з них таке планування гірничих робіт вже має місце, виникнувши природним шляхом з ряду ситуацій, що склалися. Прикладом можуть служити шахти: “Комсомолець Донбасу” ДХК “Жовтеньвугілля”, ім. М.І. Калініна і “Південнодонбаська №3” ДХК “Донвугілля”, шахта ім. К.І. Поченкова” ДХК “Макіїввугілля”. Часто ступінчасте формування крайової частини панелі або блоку пов'язане з наявністю геологічного порушення, орієнтація якого не співпадає з лінією падіння. Цей аналіз ще раз підкреслює важливість теми, що розглядається і значну область застосування її результатів в ситуації, що реально склалася на шахтах вказаного регіону.

На рис. 2 представлена одна з можливих схем планування гірничих робіт, на якій найбільш повно переглядаються обидва вищеописані варіанти в застосуванні до планування розвитку гірничих робіт, що пропонується для подальшої надробки виробок. При цьому варіант 2 модифікується так, що в процесі надробки кожна чергова лава надробляє виробку, як одиночна (ліва частина схеми на рис. 2). Таким чином можна позбутися несприятливого впливу прилеглих вироблених просторів.

Помітний взаємовплив суміжних вироблених просторів починається лише при підході лави до раніше виробленого простору на відстань в декілька метрів. Злиття залишкової і динамічної зони опорного тиску запізнюється по тій причині, що суміжні вироблені простори зливаються кутовими частинами, в яких розмір зони опорного тиску і величина його концентрації менше в 1,5_2 рази. Крім того, в момент злиття кутових частин суміжних вироблених просторів додаткові зсування між ними мінімальні, оскільки площа масиву, через яку здійснюється обмін додатковими зсуваннями в початковий період взаємодії практично рівна нулю. Тому зона злиття кутових частин суміжних вироблених просторів є специфічним з точки зору геомеханіки місцем, яке вельми сприятливе для розташування виробки, що надробляється. Саме на цій дільниці негативні прояви надробки мінімальні (рис. 3).

Звернемо увагу на те, що важливе місце в даній ситуації має порядок відробляння лав. У разі застосування описаного варіанту до східної (правої) частини схеми весь ефект даного методу не тільки втрачається, а і посилює ситуацію, що склалася, оскільки кожна подальша лава буде надробляти виробку як примикаюча до раніше виробленого простору зі значною довжиною дільниці взаємодії. Це означає, що для досягнення позитивного ефекту важлива не тільки конфігурація суцільного виробленого простору, але і послідовність відробляння суміжних лав. Механізм цього процесу полягає в тому, що при безціликовому розвитку очисних робіт суміжні вироблені простори взаємодіють між собою за допомогою термодинамічного ентропійного потоку, фізичним носієм якого є зсування в площині нашарування. У результаті нова область зсувань відчуває розвантаження від гірського тиску, а раніше вироблений простір стискується в площині нашарування, що приводить до зростання гірського тиску до 3Н. Саме в таких ситуаціях знаходить застосування надробка з малим відходом від розрізної печі (варіант 1). Порядок відробляння лав, що рекомендується в обох частинах схеми на рис. 2 вказаний цифрами в порядку зростання.

Для якісної і кількісної перевірки ефективності і доцільності запропонованого варіанту планування гірничих робіт було проведене його математичне моделювання методом тонкої плити на неоднорідній основі. Як вже відмічалося вище, розглядається найбільш складний випадок надробки виробок, тобто лавами, що примикають до раніше виробленого простору. Даний варіант надробки найчастіше зустрічається в натурних умовах і тому представляє найбільший інтерес. Для об'єктивної оцінки даний варіант порівнюється як з гіршою (надробка по традиційній схемі лавою, що примикає до вироблених просторів), так і з більш легкою в плані збереження стійкості виробки ситуацією (надробка одиночною лавою).

Для математичних розрахунків були введені наступні початкові умови: глибина очисних робіт, Н = 800м; потужність пласта, m = 1,2-1,5 м; кут нахилу пласта, - до 10 град.; відстань від покрівлі виробки, що надробляється до грунту пласта 15 м; довжина лави, L = 180м; довжина місячного посування лави, L_подв. = 50 м/міс.; уміщуючі породи - середньої міцності; безпосередня покрівля - середньої обвалюємості; управління покрівлею - повне обвалення. Ці умови були прийняті як вельми типові для Донецько-Макіївського регіону Донбасу.

На рис. 4 показаний приклад еволюції гірського тиску навколо лави, що примикає до раніше виробленого простору в процесі надробки підготовчої виробки по базовому варіанту з малим відходом від розрізної печі. Видно, що в момент надробки величина концентрації гірського тиску досягає 2,4 і вище.

При надробці виробки згідно з новою схемою планування концентрація гірського тиску не перевищує 1,5-1,75. Це істотно поліпшує стан виробки завдяки нелінійності зв'язку між зменшенням площі її перерізу і критерієм стійкості уміщуючих порід. На рис. 5 показаний зведений графік розподілів гірського тиску вздовж траси виробки, яка надробляється для всіх варіантів, що порівнюються.

Завдяки новому плануванню гірничих робіт сукупний рівень гірського тиску попереду і позаду лави, що надробляє меншає на 12_22%, що зменшує втрату площі перерізу виробки, що надробляється на 29_52% завдяки нелінійності залежності між зменшенням площі перерізу і величиною критерію стійкості масиву.

Достовірність вказаного ефекту підтверджена спеціальними дослідженнями механізму розвитку зон руйнування навколо виробки, що надробляється нелінійним методом кінечних елементів проведеними в розділі 4 (Дослідження реакції польової виробки на надробку при різній конфігурації сумарного виробленого простору). При цьому співвідношення розмірів зони руйнування і величин концентрацій гірського тиску навколо підготовчої виробки співпали з точністю до 7%.

У розділі 5 (Промислова перевірка і впровадження розробленого планування гірничих робіт) приведені результати промислової перевірки розробленого автором нового планування очисних робіт при подальшій надробці польових і групових виробок лавами, що примикають до раніше вироблених просторів, яка проведена в умовах шахт Донецько-Макіївського регіону Донбасу, а саме на шахтах “Південнодонбаська №1” ДХК “Донвугілля” і ім. В.І. Леніна ДХК “Макіївугілля”. На шахті “Південнодонбаська №1” східна частина шахтного поля по пласту с₁₈ відпрацьовувалася суміжними лавами (1_ї, 2_ї і 5_ї) по повстанню. На момент проведення промислової перевірки запропонованого автором способу подальшої надробки стовп 1_ї східної лави був відпрацьований на половину своєї довжини, а стовпи 2_ї та 5_ї лав були підготовлені до відробляння. При цьому програмою ведення гірничих робіт, було передбачене відробляння 2_ї та 5_ї суміжних лав одночасно і практично з однієї лінії розташування розрізних печей.

Автором було запропоновано надробити дільницю східних польових штреків гор. 480 м і їх сполучення з використанням варіанту надробки з малим відходом від розрізної печі лави і застосуванням ступінчастого планування вироблених просторів. У процесі надробки здійснювалися інструментальні спостереження за станом експериментальних виробок і контрольної дільниці на трьох станціях для оцінки ефективності розробленого планування. Швидкість вертикальної конвергенції у надробляємому східному дренажному штреку становила 0,5_1 мм/добу. Виміри по контрольній станції №4 дозволили визначити стан виробок, що досліджуються при базовому (раніше запланованому на шахті) варіанті їх розташування. Швидкість вертикальної конвергенції склала в середньому 5_10 мм/добу, а максимальна величина при відході лави на відстань 170 м від розрізної печі становила 210 мм.

Порівняльний аналіз запропонованого як альтернативний та базового варіантів взаємного розташування сумарного виробленого простору і нижче розташованих польових виробок показав ефективність впровадженого варіанту надробки в плані зменшення на порядок швидкості конвергенції у виробках і, щонайменше, в 2 рази зменшення її абсолютної величини. Причому при новому варіанті зареєстроване загасання зростання конвергенції, а при базовому - зміщення продовжували неухильно рости аж до останнього виміру.

Внаслідок проведеного експерименту по надробці східних польових штреків додатково здобуто біля 29 тис. тонн вугілля. З урахуванням витрат на проведення робіт по посиленню кріплення виробок, що надроблялися при їх попаданні в зону підвищеного гірського тиску, загальний економічний ефект при надробці 5_ю східною лавою східних польових штреків горизонту 480 м становив 1167 тисяч гривень.



ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій отримані нові науково обгрунтовані результати, що характеризують напружено-деформований стан підготовчої виробки при її подальшій надробці лавами, які примикають до раніше виробленого простору. В результаті вирішена актуальна науково-прикладна задача раціонального планування очисних робіт при надробці польових та групових виробок, що має важливе значення для вугледобувної галузі України.

Основні положення роботи полягають в наступному:

В зоні накладення залишкового і динамічного опорного тиску в процесі надробки підготовчої виробки лавою, що примикає до раніше виробленого простору спостерігаються деформації її перерізу, величини яких в 1,4_3 рази перевищують максимальні деформації, відповідні випадку надробки одиночною лавою в тих же умовах.

Показано, що навколо зони накладення залишкового і динамічного опорного тиску виникають найбільш інтенсивні процеси руйнування товщі як попереду лави, що рухається, так і позаду її в зоні розвантаження, причому інтенсивність руйнування на 35 40% вище в порівнянні з тією, яка має місце в центрі лави.

Показано, що додаткові зсування між новим і раніше виробленим простором при злитті їх кутових частин мінімальні, оскільки площа масиву, через яку реалізуються ці зсування збільшується в початковий період взаємодії від нуля. Тому зона злиття кутових частин суміжних вироблених просторів є специфічним з точки зору геомеханіки місцем, яке вельми сприятливе для розташування виробки, що надробляється. Саме на цій дільниці негативні прояви надробки лавою, що примикає до раніше виробленого простору мінімальні.

Запропонований і обгрунтований новий метод подальшої надробки магістральних виробок лавою, що примикає до раніше вироблених просторів заснований на застосуванні ступінчастої схеми планування крайових границь вироблених просторів зі спеціальною черговістю відробляння запасів в межах панелі, блоку або горизонту і таким розташуванням виробки, що надробляється відносно суцільного виробленого простору, при якому траса виробки дотична до виступаючих кутових частин крайової частини масиву. При цьому, черговість відробляння суміжних лав і їх взаємне розташування з виробкою, що надробляється вибираються таким чином, щоб кожна чергова лава надробляла виробку як одиночна, що дозволяє позбутися несприятливого впливу прилеглих вироблених просторів.

Проведене математичне моделювання перерозподілу гірського тиску при реалізації нового методу подальшої надробки і здійснена порівняльна оцінка результатів з його прототипами, а саме з надробкою одиночними лавами для варіантів із зупинкою лави на мінімальній відстані від проекції виробки, що надробляється і з малим відходом від розрізної печі лави. При цьому, в середньому по довжині надробленої дільниці виробки коефіцієнт концентрації гірського тиску знижується на 22% в порівнянні з першим прототипом і на 12% в порівнянні з другим прототипом.

Загальний ефект від реалізації нового методу подальшої надробки за рахунок зниження концентрації опорного тиску попереду лави, що рухається і перепаду напружень позаду її в момент переходу виробки в зони розвантаження складає від 12% до 21% по зниженню напруженого стану навколо виробки і від 28% до 34% по зменшенню розмірів зон руйнування навколо неї, а також дозволяє зберегти від 29 до 52% площі поперечного перерізу виробки.

При подальшій надробці східних польових штреків горизонту 480 м і дільниці їх сполучення 5-ю східною лавою пласта с₁₈ шахти “Південнодонбаська №1” за розробленим способом отримане зменшення швидкості конвергенції контуру виробки на порядок (з 5_10 мм/добу до 0,5_1 мм/добу) в порівнянні з прототипом. Внаслідок проведеного експерименту додатково здобуто біля 29 тис. тонн вугілля. З урахуванням витрат на проведення робіт по посиленню кріплення виробок, що надробляються загальний економічний ефект становив 1167 тисяч гривень.

На шахтах ДХК “Макіїввугілля” автором були запропоновані розроблені ним варіанти планування гірничих робіт при надробці основних підготовчих виробок, що за результатами чисельного моделювання показало більшу в 2,5 рази ефективність їх впровадження в порівнянні з базовими варіантами (прийнятими на шахтах) з точки зору зменшення коефіцієнта концентрації гірського тиску і збереження робочого перерізу по трасі виробок, що надробляються. Очікуваний економічний ефект складає 410 гривень на погонний метр виробки в зоні ПГТ, що потенціально досягає в межах ДХК 500 тисяч гривень на рік.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Красько Н.И., Назимко В.В., Сажнев В.П. Совершенствование планировки горных работ при последующей надработке // Горно-металлургические проблемы Донбасса, Сб. №1. - Донецк: ДонГТУ. - 1995. - С. 18-30.

Красько Н.И. Обоснование перспективной планировки горных работ на пласте m₃ шахты “Северная” ГХК “Макеевуголь” // Известия донецкого горного института, Донецк. - 1998. - №2. - С. 13-17.

Красько Н.И. Особенности проявления последующей надработки на устойчивость подготовительных выработок // Проблемы горного давления, Сб. №2. - Донецк: ДонГТУ. - 1999. - С. 78-88.

Грядущий Ю.Б., Захаров В.С., Еремин А.Т., Красько Н.И. Анализ результатов микросейсмического мониторинга в окрестности примыкающего к ранее выработанному пространству длинного очистного забоя // Известия донецкого горного института, Донецк. - 2000. - №1. - С. 22-27.

Бугара М.И., Красько Н.И. Минимизация потерь угля подготовленных запасов в нарушенных шахтных полях // Сборник научных трудов “Перспективы развития горных технологий в начале третьего тысячелетия”, Алчевск. - 1999. - С. 152-156.

Красько Н.И., Халимендик Ю.М., Бугара М.И., Захаров В.С., Зборщик М.П., Назимко В.В. Система геомеханической оценки перспективного и текущего планирования развития горных работ на угольных шахтах // Стратегия управления социально-экономическим развитием региона на период до 2010 года. - Донецк, 1999. - Т. 1. - С. 50-54.

Размещено на Allbest.ru

...