Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА ГІРНИЧА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

УДК 622.273(477.82/83)

ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ РОЗРОБКИ ЗБЛИЖЕНИХ ВУГІЛЬНИХ ПЛАСТІВ МЕХАНІЗОВАНИМИ КОМПЛЕКСАМИ

В УМОВАХ ЛЬВІВСЬКО-ВОЛИНСЬКОГО РОДОВИЩА

Спеціальність: 05.15.02 - Підземна розробка родовищ корисних копалин

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

НАЛИВАЙКО ЯРОСЛАВ МИХАЙЛОВИЧ

Дніпропетровськ - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі підземної розробки родовищ у Національній гірничій академії України Міністерства освіти і науки України (м. Дніпро пет ровськ).

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Бузило Володимир Іванович, декан гірничого факультету, професор кафедри підземної розробки родовищ Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Перепелиця Валентин Григо ро вич, вчений секретар Інституту геотехнічної механіки НАН України (м. Дніпро петровськ);

кандидат технічних наук Яворський Василь Миколайович, директор шахти “Ювілейна” ДХК “Павлоград вугілля” Міністерства палива та енерге- тики України (м. Павлоград).

Провідна установа:Криворізький технічний університет, кафедра підземної розробки родовищ корисних копалин (м. Кривий Ріг).

Захист відбудеться “ 31” травня2002 р. о 12годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03 із захисту дисертацій при Національній гірничій академії України Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпро петровськ, пр. К.Маркса, 19, т. 47-24-11).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, пр. К.Маркса, 19).

Автореферат розісланий 29квітня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор С.Ф.Власов



АНОТАЦІЯ

Наливайко Я.М. “Обгрунтування параметрів розробки зближених вугільних пластів механізованими комплексами в умовах Львівсько-Волинського родовища”. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.02 - “Підземна розробка родовищ корисних копалин”. Національна гірнича академія України, Дніпропетровськ, 2002 р.

У дисертації отримане нове рішення актуальної наукової задачі обґрунтування параметрів виїмки зближених вугільних пластів механізованими комплексами в складних гірничо-геологічних умовах. На основі метода граничних елементів та аналітичного рішення В.Г.Гмошинського з використанням критерія П.П.Баландіна розроблений розрахунковий алгоритм визначення та аналізу напружено-деформованого стану неоднорідного масиву стосовно до виїмки свити пластів в умовах надробки і підробки. На відміну від відомих, розроблений алгоритм враховує концентрацію напруг від ціликів (крайових частин) суміжних пластів та швидкість посування лави. Отримані корреляційні співвідношення для максимальної конвергенції в лаві та макси маль ного коефіціента концентрації напруг у зоні опорного тиску попереду очис ного вибою. У процесі шахтних досліджень зафіксовані спеціфичні прояви гірського тиску в зонах підвищеного гірського тиску (ПГТ) від ціликів (крайових частин) суміжних пластів. З урахуванням встановлених законо мірностей складена методика розрахунку раціональних параметрів механі зо ваного кріплення при роботі у зонах ПГТ. За розробленою методикою визна чені раціональні параметри ведення очисних робіт у шахтах Львівського регіону (швидкість подачі комбайна, швидкість посування лави, силові та геометричні параметри механізованого кріплення, допустиму відстань між очистними вибоями по зближених пластах).

Річний економічний ефект від впровадження реко мен дованої технології у лаві № 421 шахти “Відродження” склав 289498 грн.

Ключові слова: неоднорідний масив, надробка, підробка, цілик, крайова частина, механізоване кріплення, лава, концентрація напруг, конвергенція, швидкість посування очисного вибою.



АННОТАЦИЯ

Наливайко Я.М. “Обоснование параметров разработки сближенных угольных пластов механизированными комплексами в условиях Львовско-Волынского месторождения”.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.02 - “Подземная разработка месторождений полезных ископаемых” Национальная горная академия Украины, Днепропетровск, 2002 г. масив пласт гірничий геологічний

В диссертации получено новое решение актуальной научной задачи обоснования параметров выемки сближенных угольных пластов механизиро ванными комплексами в сложных горно-геологических условиях. Использован комбинированный подход: выполнены два решения - аналитическое по извест ным соотношениям В.Г.Гмошинского для очистного забоя, движущегося в однородной среде, и численное (методом граничных элементов) для неподвиж ной лавы, но в слоистом неоднородном массиве, содержащем целики и краевые части смежных пластов. Это позволило учесть при расчете рациональных технологических параметров как скорость подвигания лавы так и концентра цию напряжений в зонах повышенного горного давления (ПГД) в условиях надработки (подработки).

С учетом возможных интервалов изменения определяющих параметров выполнено 150 расчетов с различными исходными данными. Рассчитанные величины подвергались множественному корреляционному анализу, в результате чего установлены соотношения для максимального коэффициента концентрации напряжений _уу в зонах ПГД от целиков и краевых частей смежных пластов и максимальных конвергенций в лаве.

Установленные закономерности положены в основу разработанной мето дики расчета рациональных параметров механизированной крепи при работе в зонах ПГД от целиков и краевых частей смежных пластов. В отличие от известных, в разработанной методике действующая на перекрытие секции механизированной крепи нагрузка не задается, а определяется расчетом. При этом учитывается вес пород над лавой, находящихся в предельном напря женном состоянии, и дополнительное давление, обусловленное разрушением угля в краевой части пласта в зоне отжима. Границы зон предельного состояния устанавливаются по критерию П.П.Баландина.

В процессе шахтных испытаний зафиксированы специфические проявле ния горного давления (различный характер разрушения пород кровли в зонах ПГД от целиков (краевых частей) смежных пластов и вне этих зон). Определена степень влияния на напряженно-деформированное состояние пород скорости подачи комбайна и скорости движения лавы. Это нашло отражение в разрабо танной методике и явилось основанием для предложений по изменению конструкции перекрытия секции механизированной крепи КМ87.

Определены рациональные параметры ведения очистных работ в шахтах Львовского региона (силовые и геометрические параметры механизированной крепи, допустимое расстояние между очистными забоями по сближенным плас там, скорость подачи комбайна, скорость подвигания лавы).

Сформулированные рекомендации по параметрам выемки сближенных пластов в условиях надработки (подработки) учтены при планировании и прове дении очистных работ на шахтах “Бендюзька”, “Відродження” и “Лісова” ГХК “Львовуголь”.

Годовой экономический эффект от внедрения реко мен дованной техно логии в лаве № 421 шахты “Відродження” составил 289498 грн.

Ключевые слова: неоднородный массив, надработка, подработка, целик, краевая часть, механизированная крепь, лава, концентрация напряжений, конвергенция, скорость подвигания очистного забоя.



ANNOTATION

Nalivaiko Ja. M. “Parameter grounds of adjacent coal seam mining by mechanized complexes in Lvov-Volynsk deposit”. Manuscript.

Thesis for a candidate`s degree in technical sciences in speciality 05.15.02 - “Underground mining operations”, National Mining University of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2002.

New decision of actual scientific problem of parameter grounds of adjacent coal seam extraction by mechanized complexes in complicated mining-geological conditions has been obtained in this work. Calculated algorithm of deter mining and analyzing value-added tax (VAT) of heterogeneous massif in regard to seam extraction in condition of overcutting and undercutting on the base of boundary elements and V.G.Gmoshinsky`s analytical decision using P.P.Balandin`s criterion has been carried out. Unlike well known algorithm, thus one is taking into account stress concentration from pillars (edge parts) of adjacent seams and speed of drift movement.

Correlative relationship for maximum drift convergation and maximum coefficient of stress concentration in zones of end pressure in front of stopes has been obtained.

In the process of mining tests specific display of rock pressure in zones of high ground pressure from pillar of adjacent seams was recorded. Using this methodics, rational parameters of stoping in the mines of Lvov region have been determined (the speed of cutter-loader delivery, the speed of drift movement forced and geometrical parameters of powered support, limited distance between stopes across adjacent seams). Taking into account these relationships, calculation methodics of rational parameters of powered support while working in zones of high ground pressure was composed.

Annual economic effect from introduction recommendations concerning mo-der nizing support overlaping (KM87) into mine drift “Vidrodgennay” is 289498 gr.

Key words: heterogeneous massif, undercutting, overcutting, pillar, edge part, powered suport, drift, stress concentration, convergation, speed of stope movement.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Тенденція видобутку й споживання вугілля в Україні свідчить про зростання його ролі в паливно-енергетичному комплексі. Національною енергетичною програмою “Вугілля 2010” передбачене подальше збільшення видобутку. Це вимагає підвищення ефективності роботи вугільних підприємств, що багато в чому визначається ступенем забезпечення надійної роботи горизонтів і ділянок у конкретних гірничо-геологічних умовах.

Розвиток вугільної промисловості Львівської області пов`язано з роз робкою свити п`яти зближених пластів робочою потужністю 0,6...1,8 м при по тужностях міжпластя 10...28 м. Промислові запаси вугілля деся ти діючих шахт ДХК “Львіввугілля” складають понад 108 млн. т. Видобуток здійснюється 22 механізованими лавами. Проблема полягає не тільки в тому, що одночасно вий маються 2-3 пласти, а і в тому, що через неузгодженість у роботі шахт компанії істотно погіршилися гірничо-геологічні умови: пласти виявилися неодноразово підробленими, надробленими, очисним вибоям доводиться працювати в зонах підвищеного гірського тиску (ПГТ) від ціликів та крайових частин суміжних пластів. За даними технічних служб шахт 81% лав за період з 1996 по 2002 рік працювало під (над) ціликами і крайовими частинами суміжних пластів, внаслідок чого зросло навантаження на механі зо ване кріплення, збільшилися частота та інтенсивність вивалювань порід по крівлі. Використовувані очисні комплекси виявилися непристо со ваними до таких умов. Швидкість посування лав, у порівнянні з роботою поза зонами впли ву ціликів і крайових частин, знизилася на 40...60 %, почастішали випадки травматизму.

Природно постало питання визначення раціональних параметрів ведення очисних робіт у зонах підвищеного гірського тиску, зокрема, значень реакцій кріплення використовуваних комплексів, швидкості посування лав і припусти мої відстані між очисними вибоями суміжних пластів. Рішення даного питання, актуального для гірничої науки і практики, вимагає визначення й аналізу напружено-деформованого стану (НДС) шаруватого неоднорідного масиву навколо очисної виробки та оцінки ступеня впливу ціликів і крайових частин на прояви гірського тиску в умовах надробки і підробки, що й зроблено в дисер таційній роботі.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконувалася у період виробничої діяльності автора на шахті №2 “Вели ко мостівська”, №4 “Великомостівська”, роботи в ДХК “Укрзахідвугілля” (нині ДХК “Львіввугілля”) у 1997-2002 роках як складова частина наукових досліджень, проведених разом з Національною гірничою академією України (тема 010162 “Науково-технічне обґрунтування параметрів технології відпра цьовування суміжних пластів в умовах шахт ДХК “Львіввугілля”, реєстра ційний номер 0101U007900, інвентарний номер звіту № 0201U008037). Напрям виконаних досліджень відповідає “Основам стратегії розвитку вугільної промисловості України на період до 2010 року”.

Мета досліджень обґрунтування технологічних параметрів очисних робіт у зонах впливу ціликів і крайових частин зближених пластів для умов шахт Львівського регіону.

Для досягнення поставленої мети треба було вирішити наступні задачі:

1. Розробити розрахунковий алгоритм визначення напружено-деформо ваного стану неоднорідного масиву стосовно до виїмки зближених пластів з урахуванням концентрації напруг від ціликів (крайових частин) і швидкості посування лави.

2. Установити закономірності проявів гірського тиску при розробці зближених пластів у зонах підвищеного гірського тиску від ціликів і крайових частин в умовах надробки (підробки).

3. Визначити раціональні параметри технології розробки зближених пластів для умов шахт Львівського регіону (опір механізованого кріплення у зонах ПГТ від ціликів і крайових частин суміжних пластів, швидкість подачі комбайна, швидкість посування лави і припустиму відстань між очисними вибоями зближених пластів).

4. Провести шахтні спостереження за проявами гірського тиску при роботі механізованого кріплення підтримуючого типу в зонах ПГТ від ціликів і крайових частин суміжних пластів. Виконати порівняльний аналіз теоретичних та експериментальних даних, оцінити вірогідність результатів досліджень.

5. Сформулювати рекомендації з параметрів розробки зближених вугіль них пластів механізованими комплексами в умовах Львівсько-Волинського родовища і впровадити їх на шахтах ДХК “Львіввугілля”.

Об`єкт досліджень НДС області шаруватого неоднорідного масиву, що вміщує очисну виробку, цілик чи крайову частину суміжного пласта, в умовах надробки (підробки).

Предметом досліджень є раціональні технологічні параметри: опір гідро стояків механізованого кріплення, швидкість подачі комбайна, швидкість посу вання лави і припустима відстань між очисними вибоями зближених пластів у зонах ПГТ від ціликів (крайових частин) суміжних пластів.

Ідея роботи полягає в урахуванні концентрації напруг у зонах впливу ціликів (крайових частин) і швидкості посування лави у процесі виконання очисних робіт по зближених пластах в умовах надробки та підробки.

Методи досліджень. У роботі використаний комплексний метод, що включає аналіз і узагальнення спеціальної наукової літератури, шахтні інстру ментальні виміри і візуальні спостереження за проявами гірського тиску, ана літичні й чисельні дослідження НДС масиву та статистичну обробку резуль татів.

Наукові положення, що захищаються в дисертації:

1. При роботі механізованого кріплення підтримуючого типу в умовах Львівсько-Волинського родовища поза зонами ПГТ від ціликів і крайових частин суміжних пластів швидкість конвергенції у завальній частині лави в 2 рази більша, ніж біля вибою, а при роботі в зонах ПГТ - біля вибою в 4 рази більша, ніж у завальній частині.

Тому нормальна робота кріплення в зонах ПГТ забезпечується збіль шенням опору кріплення біля вибою.

2. Збільшення швидкості подачі комбайна V_k з 3 м/хв до 4,5 м/хв при роботі механізованих комплексів у зонах ПГТ від ціликів і крайових частин суміжних пластів приводить до збільшення питомого вивалоутворення порід покрівлі в привибійному просторі з 10 до 70%. У той же час при збільшенні швидкості посування лави V_л з 1,2 м/доб до 4,2 м/доб площа вивалювань скорочується в 5...8 разів і в 1,32 разу зменшується навантаження на кріплення.

З цього випливає, що досягнення навантаження на вибій до 1500 т/доб забезпечується швидкостями V_k = 3,0...3,2 м/хв і V_л = 4,0...4,2 м/доб при п'ятизмінному режимі роботи лави.

Наукова новизна отриманих результатів.

Вперше для гірничо-геологічних умови шахт Львівського регіону з метою визначення раціональних параметрів технології розробки зближених вугільних пластів у зонах підвищеного гірського тиску отримані такі результати:

встановлена корреляційна залежність між довжиною зони опорного тиску у покрівлі пласта, що відпрацьовується, шириною цілика, розташо ваного вище, і потужністю міжпластя;

на основі множинного корреляційного аналізу для умов надробки (підробки) встановлені залежності максимального коефіцієнту концентрації напруг _уу в покрівлі пласта, що розроблюється, і максимального зближення ґрунту і покрівлі в лаві від глибини залягання і потужності пласта, що виймається, розмірів виробленого простору і фізико-механічних властивостей вугілля та вміщуючих порід.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджені результатами порівнянь розрахункових значень реакцій у гідростояках механізованого кріплення і зближень ґрунту й покрівлі очисних виробок з відповідними даними натурних вимірів (відмінності складають не більше, ніж 18 %). Про вірогідність також свідчать результати порівнянь теоретичних значень деформації контуру пластової виробки в умовах надробки (підробки) з відповідними даними лабораторних досліджень, отриманих у ВНДМІ на моделях з еквівалентних матеріалів (відмінності не перевищують 5%).

Множинні корреляційні відношення встановлених залежностей мають значення 0,90...0,98, а величини критерія Фішера значно перевищують одно процентні межі відхилень, що свідчить про досить тісну корреляцію досліджу ваних випадкових величин з параметрами, що варіюють, і про статистичну значимість отриманих зв`язків.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей розподілу напруг і переміщень у неоднорідному шаруватому масиві навколо очисної виробки стосовно до розробки зближених пластів з урахуванням надробки (підробки); у кількісній оцінці ступеня впливу крайових частин і ціликів суміжних пластів.

Практичне значення виконаних досліджень.

1. На основі встановлених закономірностей проявів гірського тиску при виїмці зближених вугільних пластів розроблені “Методика і рекомендації до визначення раціональних параметрів механізованого кріплення при роботі в зонах впливу ціликів і крайових частин суміжних пластів”.

Методика погоджена з інститутом УкрНІІпроект (м. Київ) і передана для використання в ДХК “Львіввугілля”.

2. Сформульовані рекомендації щодо параметрів ведення очисних робіт в умовах шахт Львівського регіону:

збільшити опір використовуваного механізованого кріплення КМ87 біля вибою шляхом укорочення консолі на 0,33 м;

при швидкості подачі комбайна V_k = 3,0...3,2 м/хв забезпечити посування лави зі швидкістю V_л 4 м/доб;

при роботі лав по зближених пластах витримувати відстані між вибоями L = 60 м і L = 65 м відповідно в умовах надробки і підробки.

Реалізація результатів досліджень.

Сформульовані рекомендації з параметрів механізованого кріплення, а також з технології ведення очисних робіт в умовах надробки і підробки врахо вані при плануванні та проведенні очисних робіт на шахтах “Бендюзька”, “Відродження” і “Лісова” ДХК “Львіввугілля”.

У процесі відпрацьовування пластів модернізованим мехкомплексом КМ87 за період з 1997 р. по 2002 р. видобуто понад 5 млн. т. вугілля. При цьому навантаження на лаву досягало 1500 т/доб.

Річний економічний ефект від упровадження рекомендованої технології відробки зближених вугільних пластів механізованими комплексами КМ87 (КМ88) з новими конструктивними параметрами у лаві 421 шахти “Відродження” склав 289498 грн.

Особистий внесок автора в отримані результати.

Автор особисто здійснив постановку задач, розробив методику дос ліджень, сформулював наукові положення, приймав участь в проведенні натур них досліджень, одержав теоретичні результати, зробив порівняльний аналіз аналітичних та експериментальних (шахтних і лабораторних) результатів; розробив практичні рекомендації з технологічних параметрів очисних робіт, що відповідають конкретним гірничо-геологічним умовам.

У проведенні натурних досліджень брали участь співробітники кафедри підземної розробки родовищ НГА України і працівники шахт “Відродження”, “Бен дюзька”, “Лісова” і “Степова” ДХК “Львіввугілля”.

У розробці обчислювальних програм брали участь співробітники кафедри вищої математики НГА України.

Апробація результатів.

Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й одержали схва лення на III і IV міжнародних конференціях з математичного моделювання (м. Херсон, 2000, 2001 р.р.), на Х міжнародному симпозіумі “Методи дискретних особливостей у задачах математичної фізики” (м. Херсон, 2001 р.), а також на засіданнях науково-технічних рад ДХК “Львіввугілля” у 2001 р. та на засіданнях кафедри підземної розробки родовищ Національної гірничої академії України (м. Дніпропетровськ, 1999, 2000, 2001, 2002 р.р.).

Публікації.

Основні положення дисертації відображені у 8 друкованих роботах, в т.ч. статей у фахових виданнях - 5, доповідей у матеріалах конференцій - 3.

Структура й обсяг дисертації.

Дисертація складається з вступу, 4 розділів і висновку; містить 103 сторінки маши но писного тексту, 45 рисунків на 40 сторінках, 16 таблиць на 14 сторінках, перелік використаних джерел із 108 найменувань на 11 сторінках та 3 додатки на 6 сторінках. Загальний обсяг роботи - 176 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації та необхідність про ведення досліджень, сформульовані мета й задачі досліджень, наукові поло ження, що захищаються, наведені дані з апробації і за публікаціями результатів.

У першому розділі характеризуються умови відпрацьовування зближених пластів шахт Львівського регіону і фізико-механічні властивості вугілля і вміщуючих порід, виконується критичний аналіз результатів досліджень щодо визначення НДС шаруватого неоднорідного масиву стосовно до розробки зближених пластів.

Вивчення спеціальної науково-технічної літератури (роботи дослідників ІГТМ НАН України, НГА України, ДГТУ, ДОНІІ, Донугі, УкрНІМІ, ВНДМІ, ІГД ім. А.А.Скочинського) показало, що відомі аналітичні рішення (І.М.Пєтухов, О.М.Линьков, А.А.Борисов, В.Г.Лабазін, В.Г.Гмошинський та ін.) дуже ідеалізують реальні умови і тому мають обмежене застосування. Існуючі чисельні рішення (роботи С.Н.Комісарова, О.В.Колоколова, М.П.Зборщика, В.Назимко та ін.) не містять узагальнюючих залежностей для умов надробки (підробки) і тому їх використання навіть у подібних умовах утруднене. Відомі результати натурних і лабораторних експериментів (А.А.Борисов, О.Якобі, С.Т.Кузнєцов, В.В.Сичев, К.А.Ардашев, М.І.Бугара, Ю.Б.Грядущий та ін.) неспівставні в різних гірничо-геологічних умовах.

Тому в дисертації використовується комбінований підхід: виконуються два рішення - аналітичне за відомими співвідношеннями В.Г.Гмошинського для вибою, що рухається в однорідному середовищі, і чисельне методом граничних елементів для нерухомого вибою, але в шаруватому неоднорідному масиві, що містить цілик і крайові частини суміжних пластів. Це дозволяє врахувати при визначенні технологічних параметрів і швидкість посування лави і концентра цію напруг у зонах ПГТ в умовах надробки та підробки.

У другому розділі описано розроблений алгоритм визначення напруг і зміщень у породному масиві стосовно до виїмки свити положистих вугільних пластів. На рис. 1 а) і б) зображені типові для умов шахт ДХК “Львів вугілля” розрахункові схеми. Вони вміщують пласти , і . Очисні робо ти ведуться по пласту потужністю 0,6...0,7 м на глибині Н = 520 м. Потуж ності m₁ і m₂ пластів і відповідно дорівнюють 1,3...1,6 м і 1,4...1,6 м, а потужності міжпластьїв h₁ і h₂ змінюються у межах 12...16 м і 9...12 м.

Перша схема (рис. 1а) дозволяє дослідити НДС грунту і покрівлі роз роблю ваного пласта в умовах надробки при різних значеннях відстані від очисного вибою по пласту , що виймається, до крайової частини пласта , розташо ваного вище. Аналогічні схеми використовувались для умов підробки. Крім того, у роботі виконувалися дослідження НДС масиву у випадках проти лежного напрямку посування лави, тобто виходу її із зон впливу крайових частин суміжних пластів.

Друга схема (рис. 1б) призначена для оцінки впливу цілика на напружено-деформований стан покрівлі і грунту розроблюваного пласта у випадках, коли цілик знаходиться над пластом. В роботі розглядались також цілики, розта шовані нижче роз роблюваного пласта.

Діюче навантаження у всіх випадках - вага порід: у вертикальному напрямку на нескінченності - Н, а у горизонтальному -Н ( - густина породи, кг/м³; = /(1-) - коефіцієнт бокового опору, - коефіцієнт Пуассона породи). Задача розв`язується в додаткових напругах методом граничних елементів у формі “фіктивних” навантажень. Вихідна система рівнянь формується на основі аналітичного рішення задачі Кельвіна про дію нор маль них і дотичних зусиль, рівномірно розподілених уздовж відрізка, довільно орієнтованого в нескінчен ному пружному середовищі. Межі областей гра нич ного напруженого стану встановлюються за критерієм П.П.Баландіна.

Вагою порід в області граничного напруженого стану над лавою ство рюється навантаження Р₀, що діє на перекриття секції механізованого кріп лення. Крім того, на перекриття діє навантаження, зумовлене руйнуванням вугілля в зоні віджимання, що залежить від властивостей вугілля, рівня кон цент рації напруг _уу перед очисним вибоєм, швидкості його руху і від розміру

Тиск, що “знімається” з пласта, визначається за формулою, отриманою В.Г.Гмошинським, яка має вигляд:

У формулі (1) С - зчеплення вугілля, МПа; f = tg - коефіцієнт тертя вугілля по вугіллю; - кут внутрішнього тертя; h = m/2; m - потужність вугільного пласта, м; l₁ - розмір уздовж осі Ох виробленого простору за очисним вибоєм, не заповненого зруйнованими породами, м; T = 5...6 годин - реологічний коефіцієнт, що характеризує час релаксації напруг при руйнуванні вугілля; K = (K_y)_max - 1; (K_y)_max - максимальний коефіцієнт концентрації напруг стосовно рівня Н попереду очисного вибою (визначається за роз робленим алгоритмом методом граничних елементів з урахуванням наявності в досліджуваній області масиву ціликів і крайових частин суміжних пластів, а також з урахуванням надробки (підробки)); V_л - швидкість посування лави, м/год; S - область зруйнованого вугільного пласта, м.

Виконані дослідження показали, що в розглянутих гірничо-геологічних умовах при швидкості посування лави 4 м/доб зона руйнування вугілля S за 6 годин поширюється в глибину масиву на 0,8...1,0 м. Більша частина тиску P(V) сприймається масивом, а менша, порядку 2,5...3,0% створює додаткове наван таження на перекриття механізованого кріплення.

За допомогою розробленого алгоритму для розглянутих умов встановлені границі зон ПГТ у покрівлі і ґрунті пласта, що виймається, визначені величини максимального коефіцієнта концентрації (K_у)_max і навантаження на механізо ване кріплення. З`ясувалося, що за фактором гірського тиску найбільш небез печ ним є період виходу лави з-під крайової частини пласта, що розташований нижче. Зокрема, механізоване кріплення виявляється максимально наванта же ним, коли вибій знаходиться на відстані 5...10 м від крайової частини. Показано, що в умовах підробки при ширині цілика 50 м механізоване кріплен ня відчуває найбільший тиск, коли лава знаходиться на відстані 20...25 м від границі цілика і над його середнім перетином.

У розділі 3 наводяться співвідношення для максимальних значень зближень ґрунту і покрівлі в лаві і максимальних коефіцієнтів концентрації напруг _уу в покрівлі пласта, що відпрацьовується, у зоні опорного тиску попереду очисного вибою. Співвідношення отримані шляхом множинного корре ляційного аналізу 150 варіантів розрахунків із різними значеннями визна чальних параметрів для умов надробки, коли лава рухається в напрямку до крайової частини, мають наступний вигляд:

. (3)

Аналогічні залежності стосовно до умов підробки мають вигляд

(4) . (5)

У випадку виходу лави з-під крайової частини (в умовах надробки)

, (6) . (7)

У цьому ж випадку для умов підробки отримані залежності:



, (8) . (9)

Виходячи з можливих границь зміни величин, що варіюють, параметрам, які входять у формули (2)…(9), у розрахунках надавалися значення: _пН/(_с)у [0,25; 0,27; 0,29; 0,31; 0,33; 0,35], Е_п / Е_у [1,8; 2,8; 4,0], l/l_н і l/l_п [0,033; 0,166; 0,330; 0,660] (Е_п, Е_у - модулі пружності породи покрівлі й вугілля; _п - густина породи покрівлі; (_с)у - межа міцності вугілля на стиск, l_п = l_н = 150 м - розмір зони надробки і підробки уздовж осі Ох).

За даними 108 варіантів розрахунку встановлена також залежність розміру L₀ зони ПГТ попереду очисного вибою від ширини цілика l_ц і потужності міжпластя h₂, що має вид

. (10)

Для умов надробки у випадку, коли вибій знаходиться під краєм цілика (положення IV на рис. 1б) отримана залежність відносної максимальної напруги у покрівлі в зоні ПГТ попереду лави від параметрів Е_п/Е_у, _пН/(_с)у и h₂/l_ц, що має вид

. (11)



Формули (10) і (11) справедливі при h₂ [5...20] м, l_ц [20…50] м для умов, у яких Е_п / _п [0,4...1,2]10³ і _пН/(_с)у [0,25...0,35].

Залежності (1...11) покладені в основу розробленої методики розрахунку раціональних параметрів механізованого кріплення при роботі в зонах ПГТ від ціликів і крайових частин суміжних пластів. За допомогою цієї методики знайдено навантаження Q = P₀ + 0,03P(V), що діє на перекриття секції механі зованого кріплення при різних значеннях швидкості посування лави V і коефі цієнту концентрації напруг (K_y)_max (рис. 2), і визначені реакції в гідростояках у різних зонах ПГТ. Показано, що для його ефективної роботи необхідно укоротити консоль перекриття на 0,33 м, при цьому збільшується опір кріплення біля вибою та більш рівномірно навантажуються гідростояки.

1 (K_y)_max = 5; 2 (K_y)_max = 4; 3 (K_y)_max = 3.

Встановлено, що з точки зору гірського тиску на кріплення швидкість посування лави повинна бути не менша, ніж 4 м/доб і що безпечними, за фактором гірського тиску, є відстані між лавами суміжних пластів L = 60 м і L = 65 м для умов підробки і надробки відповідно.

У розділі 4 описуються результати шахтних спостережень за проявами гірського тиску в очисних вибоях у зонах впливу ціликів (крайових частин) суміжних пластів в умовах підробки (надробки). Дослідження виконувалися у 1998...2002 роках в очисних вибоях шахт “Відродження”, “Бендюзька”, “Лісова”, “Степова” і “Великомостівська” ДХК “Львіввугілля”.

Заміряно фактичні значення зближень бічних порід у лавах, силові пара метри кріплення КМ87, вивчений характер руйнування покрівлі та ґрунту.

З`ясувалося, що в зонах ПГТ максимальна величина конвергенції поблизу вибою лави збільшується в 2...6 разів, а у виробленому просторі в 1,5...2 рази в порівнянні з роботою поза зонами ПГТ, причому довжина ділянки, на якій відбувається зростання конвергенції, складає 1,6 м по ширині лави.

Що стосується механізованого кріплення, то в зонах ПГТ гідростояки кріп лення працюють у режимах падаючого чи мінливого опору й практично все на ван таження сприймається переднім стояком. Це підтверджує висновки, сфор му льовані за результатами теоретичних досліджень, і свідчить про правильність прий нятого рішення щодо збільшення опору механізованого кріплення у вибою.

Стан покрівлі вугільного пласта в зонах ПГТ у значній мірі залежить від швидкості подачі комбайна і швидкості посування очисного вибою. Збільшення швидкості подачі комбайна приводить до росту зони віджимання в крайовій частині пласта і погіршує стан покрівлі в привибійному просторі, а збільшення швидкості посування лави позначається позитивно (зменшується обсяг вивалоутворень). Раціональними для розглянутих гірничо-геологічних умов є V_k [3,0...3,2] м/хв і V_л 4 м/доб.

Виміряні значення зближень бічних порід у лаві відрізняються від роз- ра хованих не більше, ніж на 16 %, а зусилля в гідростояках - не більше, ніж на 18 %.

Розроблений алгоритм використовувався також для оцінки впливу над робки на деформації пластової виробки у шаруватому масиві стосовно до умов, що моделювались у ВНДМІ за допомогою еквівалентних матеріалів. Теоре тичні значення відрізнялись від експериментальних не більше, ніж на 5%. Це говорить про достатню універсальність і ефективність розробленого алгоритму і свідчить про вірогідність отриманих на його підставі результатів.

На основі теоретичних і шахтних досліджень для підвищення ефективності роботи очисних вибоїв рекомендовані і впроваджені на шахтах ДХК “Льві ввугілля” наступні заходи:

1) модернізована конструкція перекриття механізованого кріплення КМ87 і КМ88 (на 0,33 м укорочена консоль);

2) при швидкості подачі комбайна V_k = 3,0...3,2 м/хв забезпечується швидкість посування лави V_л 4 м/доб,

3) організовано п'ятизмінний режим роботи очисних вибоїв.

При цьому навантаження на очисний вибій досягає 1500 т/доб. Від впровадження рекомендованої технології на шахті “Відродження” отриман річний економічний ефект по одній лаві у розмірі 289498 грн. Усього за період з 1997 по 2002 рік видобуто понад 5 млн тонн вугілля.



ВИСНОВОК

У дисертації вирішена актуальна наукова задача обґрунтування параметрів розробки зближених вугільних пластів механізованими комплексами в умовах Львівсько-Волинського родовища.

Основні підсумки, що узагальнюють висновки, та практичні рекомендації зводяться до наступного.

1. На основі методу граничних елементів і відомого аналітичного рішення В.Г.Гмошинського з використанням критерію П.П.Баландіна розроблено розрахунковий алгоритм визначення та аналізу НДС неоднорідного шаруватого масиву стосовно до виїмки зближених пластів в умовах надробки (підробки).

На відміну від відомих, розроблений алгоритм враховує концентрацію напруг від ціликів (крайових частин) суміжних пластів і швидкість посування лави.

2. Результати розрахунків за розробленим алгоритмом узагальнені й представлені у вигляді співвідношень, що характеризують закономірності проявів гірського тиску при вийманні зближених пластів, а саме:

- з урахуванням напрямку руху лави щодо крайової частини суміжного пласта та умов розробки (надробка чи підробка) отримано корреляційні співвідношення для максимальних конвергенцій у лаві і максимальних коефі цієнтів концентрації напруг _уу в зоні опорного тиску попереду очисного вибою;

- для умов надробки отримана нелінійна корреляційна залежність розміру зони ПГТ попереду очисного вибою від ширини цілика і потужності міжпластя;

- для умов надробки у випадку, коли вибій знаходиться під краєм цілика, встановлена нелінійна корреляційна залежність максимальних напруг _уу у покрівлі розроблюваного пласта в зоні опорного гірського тиску від глибини розробки, фізико-механічних характеристик вугілля та породи покрівлі, а також від ширини цілика й потужності міжпластя.

3. У результаті шахтних спостережень зафіксовано наступні специфічні прояви гірського тиску в розглянутих гірничо-геологічних умовах:

- збільшення швидкості подачі комбайна V_к з 3 м/хв до 4,5 м/хв при роботі механізованих комплексів у зонах ПГТ від ціликів і крайових частин суміжних пластів приводить до збільшення питомого вивалоутворення порід покрівлі в привибійному просторі з 10 % до 70 %. У той же час при збільшенні швидкості посування лави V_л з 1,2 м/доб до 4,2 м/доб площа вивалоутворення скоро чується в 5...8 раз і в 1,32 разу зменшується навантаження на кріплення.

4. На основі отриманих корреляційних співвідношень і результатів шахт них спостережень розроблена “Методика і рекомендації до визначення раціо нальних параметрів механізованого кріплення при роботі в зонах впливу ціли ків і крайових частин суміжних пластів”.

За допомогою даної методики показано, що, з точки зору проявів гірського тиску, найбільш небезпечним є період виходу лави із зони впливу крайової частини пласта, що розташований нижче, а при роботі лави в зоні впливу цілика найбільш небезпечним для механізованого кріплення є режим роботи в умовах підробки, коли вибій знаходиться на відстані 20...25 м від краю цілика (при ширині цілика 50 м).

Дані положення є визначальними при розрахунку силових параметрів використовуваного кріплення.

5. Для умов шахт Львівського регіону сформульовані рекомендації з пара метрів ведення очисних робіт у зонах підвищеного гірського тиску від ціликів і крайових частин суміжних пластів:

- збільшити опір використовуваного механізованого кріплення КМ87 у вибою шляхом укорочення консолі перекриття на 0,33 м;

- організувати п'ятизмінний режим роботи лав і при швидкості подачі комбайна V_к = 3,0...3,2 м/хв забезпечити посування очисного вибою зі швидкістю V_л 4 м/доб;

- при роботі лав по зближених пластах витримувати відстані між вибоями L = 60 м і L = 65 м відповідно в умовах надробки й підробки.

Завдяки використанню даних рекомендацій на шахтах ДХК “Львіввугілля” за період з 1997 р. по 2002 р. було видобуто понад 5 млн т вугілля при наван таженні на лаву 1500 т/доб. Річний економічний ефект від впровадження реко мендованої технології відробки зближених вугільних пластів механізованими комплексами КМ87 (КМ88) з новими конструктивними параметрами у лаві 421 шахти “Відродження” склав 289498 грн.

6. Результати розрахованих значень реакцій у гідростояках механізованого кріплення відрізняються від відповідних виміряних величин не більш, ніж на 18 %, а зближення ґрунту та покрівлі в лавах - не більш, ніж на 16 %.

Множинні корреляційні відношення встановлених залежностей мають значення 0,90...0,98, а величини критерія Фішера значно перевищують однопроцентні межі відхилень, що свідчить про досить тісну корреляцію дослід жуваних випадкових величин з параметрами, що варіюють, і про статистичну значимість установлених зв`язків.



ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ТА РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В ТАКИХ РОБОТАХ

1. Новикова Л.В., Наливайко Я.М., Сердюк В.П. Определение допустимого расстояния между очистными забоями сближенных угольных пластов // Гео тех ническая механика. Межвед. сб. научн. трудов, НАН Украины, ИГТМ.- Вып. 33.- 2000.- С. 45-48.

2 Новикова Л.В., Бузило В.И., Наливайко Я.М. Оценка степени влияния очистных работ на подготовительные выработки при отработке сближенных пластов // Сб. научн. трудов НГА Украины.- №10.- 2000.- С. 35-38

3. Новикова Л.В., Заславская Л.И., Наливайко Я.М. Напряженно-деформированное состояние массива при разработке свиты пластов // Гео тех ническая механика. Межвед. сб. научн. трудов, НАН Украины, ИГТМ.- Вып. 25.- 2001.- С. 85-88.

4. Новикова Л.В., Кошка А.Г., Наливайко Я.М. Определение зон повы шенного горного давле ния и оценка их влияния на отработку сближенных пологих пластов // Геотехническая механика. Межвед. сб. научн. трудов, НАН Украины, ИГТМ.- Вып. 26.-2001.- С. 87-91.

5. Новикова Л.В., Заславская Л.И., Наливайко Я.М. Проявления горного давления при надработке и подработке пластовой подготовительной выработки // Науковий вісник НГА України, Дніпропетровськ.- 2001.- № 4.- С. 34-35.

6. Бузило В.И., Сердюк В.П., Кошка А.Г., Наливайко Я.М. Определение вероятности разрушения пород кровли при камерной системе разработки угольного пласта // Вестник ХГТУ.- Херсон.- Вып.8.- 2000.- С. 41- 44.

7. Новикова Л.В., Бузило В.И., Наливайко Я.М. Прогнозирование про явлений горного давления при подработке и над работке угольного пласта // Вестник ХГТУ.- Херсон.- Вып.12.- 2001.- С. 193-196.

8. Новикова Л.В., Заславская Л.И., Наливайко Я.М. Получение корреля цион ных соотношений для определения напряжений и перемещений в между пластье // Труды Х между народ ного симпозиума “Ме тоды дискретных осо бенностей в зада чах ма тематической физики”.- МДОЗМФ-2001.- Херсон.- 2001.- С. 246-248.

Размещено на Allbest.ru

...