Розробка та обґрунтування способів забезпечення стійкості виробок при інтенсивній відробці вугільних пластів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ ГІРНИЧИХ ПРОЦЕСІВ

УДК 622.268.12:622.833

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

РОЗРОБКА ТА ОБГРУНТУВАННЯ СПОСОБІВ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ СТІЙКОСТІ ВИРОБОК ПРИ ІНТЕНСИВНІЙ ВІДРОБЦІ ВУГІЛЬНИХ ПЛАСТІВ

Спеціальність 05.15.02. - Підземна розробка родовищ корисних копалин

ДЕМЧЕНКО АНАТОЛІЙ ІВАНОВИЧ

Донецьк - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики гірничих процесів Національної академії наук України (м. Донецьк).

Науковий керівник:

Ільяшов Михайло Олександрович, доктор технічних наук, професор, провідний науковий співробітник Інституту фізики гірничих процесів НАН України (м. Донецьк).

Офіційні опоненти:

Назимко Віктор Вікторович, професор, доктор технічних наук, професор Донецького національного технічного університету Міністерства освіти та науки (м. Донецьк).

Курченко Едуард Петрович, кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, завідувач лабораторією проведення та підтримання гірничих виробок Донецького науково-дослідного вугільного інституту Мінпаливенерго України (м. Донецьк).

Провідна установа: Український державний науково-дослідний та проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки та маркшейдерської справи НАН України (м. Донецьк)

Захист відбудеться "14" листопада 2005 р. о 12-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.184.02 при Інституті фізики гірничих процесів НАН України за адресою: 83114, м. Донецьк, вул. Рози Люксембург, 72.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ІФГП НАН України за адресою: 83114, м. Донецьк, вул. Рози Люксембург, 72.

Автореферат розісланий "12" жовтня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 11.184.02, кандидат технічних наук О.В. Гладка.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Потужність вугільної шахти суттєво залежить від системи розробки, що використовується. Найбільш ефективною, з точки зору навантаження на лаву за газовим фактором, є комбінована система розробки довгими стовпами за простяганням з повторним використанням відкатного штреку в якості повітряпостачального та видачею відпрацьованого струменя на фланговий вентиляційний хідник. Ця система розробки дозволяє досягати максимального навантаження на лаву та швидкості її посування. Однак, при цій системі розробки, потрібно підтримувати відкатний штрек позаду очисного вибою на межі з виробленим простором, що значно знижує його стійкість. Причому, при швидкості посування очисних вибоїв більш ніж 5 м/добу досвіду охорони та підтримання виїмкових виробок дуже мало. Крім цього, у великої кількості шахтопластів в покрівлі залягають потужні, міцні та монолітні породні шари, які приймають участь у формуванні розвантаженої зони та перерозподілі напружень у гірничому масиві, що вміщує виїмкові виробки. Тому, визначення раціональних параметрів підтримання та охорони виїмкових виробок, при їх повторному використанні на дільницях з швидкістю посування лав більшою за 5м/добу, що дозволять підвищити стійкість виробок та знизити витрати на їх підтримання, є важливою та актуальною задачею при підземній розробці вугільних пластів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Розробка та обґрунтування способів забезпечення стійкості виробок при інтенсивній відробці вугільних пластів становить один із наукових напрямків інституту фізики гірничих процессів НАН України. Дисертаційна робота є частиною досліджень по темам: "Вид напруженого стану вугілля та фазовий стан метану в ньому при руйнуванні" (№ ДР 0102U003845), "Граничний стан вугілля та фазовий стан метану в ньому при нерівнокомпонентному стисканні" (№ ДР 0197U008905).

Мета роботи - розробка та обґрунтування способів забезпечення стійкості виробок при інтенсивній відробці вугільних пластів за рахунок використання несучої здатності міцних породних шарів покрівлі та керування розвитком розвантаженої зони, що знижують витрати на підтримку виробок.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані наступні задачі:

1. Встановлення закономірностей формування розвантаженої зони та зони непружних деформацій біля виїмкових виробок, які підтримуються на пластах товщиною більшою за 1,5 м при великих швидкостях посування лав;

2. Встановлення закономірностей зміцнення порід у виїмкових виробках в залежності від довжини виробленого простору, місця розташування виробки та швидкості посування очисного вибою;

3. Розробка способу підвищення стійкості виїмкових виробок при їх повторному використанні на пластах товщиною більше 1,5 м та великих швидкостях посування очисного вибою;

4. Шахтна перевірка доцільності використання рамно-анкерного кріплення і способу підвищення стійкості виїмкових виробок при їх повторному використанні на пластах товщиною більш ніж 1,5 м та великих швидкостях посування лав.

Ідея роботи полягає в тому, що тип охоронних споруджень та їх параметри потрібно обґрунтовувати закономірностями формування розвантаженої зони біля виробок.

Об'єктом досліджень є процеси зрушення масиву порід у зонах опорного тиску та активних зрушень.

Предметом досліджень є пружно-деформований гірничий масив, який вміщує гірничі виробки.

Методи досліджень. Для досягнення поставленої в роботі мети послідовно використані:

- моніторинг розмірів зони розвантаження шляхом вимірів виходу штибу з шпурів;

- шахтні інструментальні спостереження за конвергенцією порід та деформуванням гірничого масиву поблизу гірничих виробок;

- аналітичні дослідження перерозподілу напружень біля виїмкових виробок та формування зони непружних деформацій;

- шахтні випробування способа підвищення стійкості виробок при їх охороні та підтриманні.

Наукові положення, що захищаються в дисертації:

1. Підвищення швидкості посування лави з 2,6 до 6,1 м/добу призводить до прямолінійного збільшення швидкості конвергенції порід покрівлі та підошви у 1,6 рази, а швидкості конвергенції боків виробки у 1,6; 1,8 рази, відповідно у присічній та виробці, що підтримується в масиві;

2. Велика швидкість посування очисного вибою (більше 5 м/добу) призводить, при попаданні виробки в зону опорного тиску та зону інтенсивного зміщення порід (до 10 м від лави), до затискання пласта і зменшення розмірів розвантаженої зони в боках виробки, після чого при відході лави на відстань більше 12 м, розміри розвантаженої зони стрибкоподібно зростають більше ніж у 2 рази;

3. Стійкість виїмкових виробок підвищується за рахунок запобігання розвитку розвантаженої зони біля виробки шляхом спорудження попереду зони опорного тиску, в боку виробки, протилежному виробленому простору, опорної смуги шириною, яка дорівнює товщині пласта.

Наукова новизна одержаних результатів:

- уточнені закономірності зміни поперечного перерізу виїмкових виробок від відстані до очисного вибою, конвергенції порід у виробках від часу їх підтримання та місця розташування при великих швидкостях посування лав, що дозволяють прогнозувати величину зміщень, які являються основними параметрами при виборі виду кріплення та охоронних споруд;

- вперше встановлені параметри зони непружних деформацій в залежності від розмірів розвантаженої зони. Доведено, що в умовах шахти "Красноармійська-Західна № 1" зона непружних деформацій складає 50...57 % від розмірів розвантаженої зони;

- уточнені закономірності впливу швидкості посування лави на швидкість зміщення порід. Доведено, що зміщення порід у присічній виробці у 1,3...2,7 рази менші, ніж у виробці, що підтримується в масиві, а швидкість зміщення порід в зоні опорного тиску підвищується у 1,6...1,8 рази;

- розроблений спосіб охорони виїмкових виробок, оснований на зниженні навантаження на дільницю пласта, що примикає до виробки, за рахунок спорудження у вийнятому пласті вздовж виробки опорної смуги шириною, яка дорівнює товщині пласта.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій доведена:

- достатньою кількістю експериментальних досліджень змін зміщення порід у виїмкових виробках;

- достатньою збіжністю даних розрахунків та експериментальних даних (розходження не перевищує 18 %), високою тіснотою зв'язку між факторами, що досліджувались (коефіцієнти кореляції та кореляційні співвідношення знаходяться в межах 0,72...0,91);

- позитивними результатами впровадження параметрів охорони виробок та способу охорони і підтримання виїмкових виробок.

Наукове значення роботи полягає в розкритті особливостей формування зони непружних деформацій біля виїмкових виробок та розвитку концепції зниження параметрів зони зруйнованих порід для забезпечення стійкості виробок.

Практичне значення отриманих результатів полягає у тому, що використання запропонованого способу та параметрів охоронних заходів дозволяє зменшити величину конвергенції порід у виїмкових виробках та витрати на їх охорону, а також підвищити навантаження на лаву за рахунок можливості використання комбінованої системи розробки.

Впровадження результатів роботи. За результатами роботи видано два технологічних регламенти, які використовуються на шахтах України. Економічний ефект від застосування результатів роботи складає 8567,6 тис. гривень.

Особистий внесок здобувача полягає у визначенні мети, ідеї роботи та формулюванні задач досліджень і наукових положень, виборі методів досліджень, проведенні шахтних досліджень, моделюванні та проведенні аналітичних досліджень. Здобувач приймав участь у розробці структури і змісту технологічного регламенту, здійснив його апробацію та впровадження в шахтних умовах.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідались на технічних радах шахти "Красноармійська-Західна № 1" (м. Красноармійськ), Мінпаливенерго України (м. Київ), Дондіпрошахт Мінпаливенерго України (м. Донецьк), на наукових семінарах у Інституту фізики гірничих процесів НАН України (м. Донецьк), на Міжнародному Енергетичному Форумі МЕФ СНД-2002 (м. Ялта) та на семінарах відділу механіки гірничих порід Інституту геотехнічної механіки НАН України (м. Дніпропетровськ).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 14 наукових робіт (з яких 12 у фахових виданнях затверджених ВАК України) та отримано два патенти на винахід.

Обсяг та структура роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, переліку літературних джерел з 119 найменувань. Вона містить 140 сторінок машинописного тексту, 42 рисунки, 18 таблиць та 2 додатка.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Питання забезпечення стійкості виїмкових виробок при розробці пологих та похилих вугільних пластів знаходяться в центрі уваги вчених усіх вуглевидобуваючих держав. Проблемою охорони та підтримання гірничих виробок займалось і займається велика кількість вчених. Великий внесок у розвиток науки про управління станом гірничого масиву та забезпечення стійкості виробок внесли вчені інститутів: ВНДМІ; ІГД ім. О.О. Скочинського; ІГТМ НАН України; УкрНДМІ НАН України; ІФГП НАН України; НГУ; ДонНТУ та інші.

Розроблена велика кількість способів охорони та підтримання гірничих виробок. Однак при великій різноманітності гірничо-геологічних умов та умов підтримання виробок необхідно в кожному конкретному випадку вирішувати питання вибору раціонального способу їх охорони та підтримання.

При відробці вугільних пластів товщиною більшою за 1,5 м, для повторного використання виїмкових виробок використовуються в якості охоронних споруд смуги з залізобетонних блоків та литі смуги. Вони споруджуються позаду лави в боках виробки зі сторони виробленого простору. У якості основного кріплення використовують аркове металічне піддатливе кріплення. Крім цього в зоні опорного тиску та в зоні інтенсивного зміщення порід у виробках встановлюють посилююче кріплення. Однак увесь цей комплекс заходів з охорони та підтримання виїмкових виробок не завжди дає позитивний результат.

Потужність шахти суттєво залежить від системи розробки, що використовується. Найбільш ефективною, з точки зору навантаження на лаву за газовим фактором, є комбінована система розробки довгими стовпами за простяганням (падінням чи підняттям) з повторним використання відкатного штреку (хідника) в якості повітряпостачального. Така система розробки дозволяє досягти найбільшого навантаження на лаву та швидкості її посування. Однак такі системи розробки потребують підтримання виробок позаду лави на межі з виробленим простором, що значно знижує їх стійкість. Причому, при швидкостях посування лав більше 5 м/добу досвіду охорони та підтримання виїмкових виробок дуже мало.

Перший розділ роботи присвячений аналізу раніш виконаних досліджень з питань охорони та підтримання гірничих виробок; досвіду охорони виробок та гірничо-геологічним умовам залягання пластів товщиною більш 1,5 м. Більшість вчених відзначає, що одним з основних факторів, що впливають на зміщення порід в гірничих виробках, є міцність гірничих порід, термін підтримання та глибина розташування виробки.

Дослідженнями, виконаними у Павлоградсько-Петропавлівському вугленосному районі Донбасу встановлено, що при підвищенні вологості знижується міцність порід на 20...25 %.

У роботах ДонНТУ, ІГТМ НАН України, УкрНДМІ НАН України відзначається вплив на стійкість виробок гірничо-геологічних (напружений стан гірничого масиву, властивості порід, неоднорідність складу гірничого масиву, товщина пласта, кут падіння та ін.) та гірничотехнічних (розміри виробки, тип кріплення, умови підтримання та ін.) факторів. Причому, стійкість виробок суттєво залежить від розмірів розвантаженої зони, яка з'являється навколо виробки за строк її підтримання.

Для охорони та підтримання виробок у Донецькому басейні найчастіше використовувались способи, що передбачають разом з встановленням основного кріплення наступне: зміцнення гірничого масиву; керування напруженим станом гірничого масиву; комбінацію зазначених способів; встановлення тільки основного кріплення та ін.

Зміцнення гірничого масиву виконувалось за допомогою механічних (анкерування, торкретування) і фізико-хімічних (цементація, силікатизація, зміцнення синтетичними смолами, електрохімічне зміцнення, заморожування) способів. Але зміцнення гірничого масиву не завжди ліквідує зміщення порід.

Способи охорони та підтримання виробок, які передбачають керування напруженим станом гірничого масиву, направлені на зниження та перерозподіл напружень навколо гірничої виробки.

При повторному використанні виїмкових виробок, окрім відзначених способів охорони та підтримання, необхідно споруджувати з боку виробленого простору охоронних споруд.

В якості охоронних споруд використовувались: бутова смуга; лита смуга; костри; бутокостри; органне кріплення; смуги з залізобетонних блоків та тюбингів.

Незважаючи на велику кількість способів охорони та підтримання виїмкових виробок в багатьох випадках вони не забезпечують стійкість виробок. Так, по даним Морозова А.І., Селезня А.Л., Ситніка А.А. на дільницях виробок, що примикають до очисного вибою, виникає 38,4 % поломів кріплення від загальної кількості поломів. Особливе значення має питання охорони та підтримання виробок на пластах товщиною більше 1,5 м та великій швидкості посування лав.

Виходячи з наведеного сформульована мета роботи та визначені задачі досліджень.

В другому розділі викладено результати математичного моделювання перерозподілу напружень навколо виїмкових виробок, які підтримуються за допомогою металевого піддатливого аркового кріплення та за допомогою змішаного кріплення (металеве піддатливе аркове кріплення та анкерні системи).

Математичне моделювання виконувалось методом кінцевих елементів.

На основі виконаних досліджень встановлено, що на контакті покрівлі з литою смугою для випадку підтримання штреку металевим арковим піддатливим кріпленням максимальні значення вертикальних напружень досягли 132 МПа. Це у 6,6 рази більше, ніж у недоторканому масиві на цій глибині. При застосуванні змішаного кріплення максимальні значення вертикальних напружень над литою смугою зменшились до 104 МПа і коефіцієнт концентрації напружень склав 5,2 гН (де г - об'ємна щільність порід; Н - глибина розробки).

Максимальні зміщення порід покрівлі при рамному кріпленні штреку склали 1,3 м, що у 1,25 рази більше, ніж при використанні змішаного кріплення.

Найбільше підняття порід підошви виробки спостерігається біля литої смуги і при рамному кріпленні воно становить 1,2 м. В разі використання змішаного кріплення величина зміщення порід підошви зменшується у 1,2 рази та становить 1,0 м.

Виходячи з наведеного можна зробити висновок, що використання змішаного кріплення (металеве аркове піддатливе кріплення та анкерні системи) дає змогу підвищити стійкість гірничих виробок.

В третьому розділі наведені результати аналітичних досліджень впливу очисних робіт на перерозподіл напружень у гірничому масиві та на формування зони непружних деформацій навколо виїмкових виробок. При дослідженні впливу очисних робіт на перерозподіл напружень вирішувалась плоска задача напружено-деформованого стану. Використовувались методи комплексних потенціалів теорії пружності. В результаті виконаних розрахунків встановлено, що у виробці, що підтримується позаду лави, коефіцієнт концентрації горизонтальних та вертикальних напружень у 1,1...1,2 рази вище, ніж у виробці, що погашається. Встановлено, що міцність порід на розрив залежить від розмірів розвантаженої зони і описується рівнянням

у_р.пр. = (а + bх ^0,8), (1)

де у_р.пр - максимальна міцність порід на розрив у частках від гН (г - об'ємна щільність порід; Н - глибина залягання порід);

а, b - коефіцієнти, які дорівнюють 0,05 та 1,05 для порід з міцністю на одновісне стискання у_сж. = 50 МПа та 0,1 і 2,1 для порід з у_сж. = 100 МПа;

х - відстань від кромки породного масиву у частках від довжини розвантаженої зони (l_р).

Доведено, що руйнування порід з у_сж. = 50 МПа в межах розвантаженої зони виникає на відстані х ₁ ? 0,62 l_р (рис. 1, крапка А), а для у_сж. = 100 МПа на відстані х ₁¹ ? 0,58 l_р (крапка Б).

Рис. 1. Схема до визначення початку руйнування порід у розвантаженій зоні: 1, 2, 3 - криві, які характеризують зростання відпору порід, зміну напружень з боку масиву та зростання відпору порід з урахуванням міцності порід на розрив, відповідно.

При вирішенні питань кріплення виробки необхідно проводити оцінку схильності порід до руйнування у розвантаженій зоні та визначати її параметри. Використання цього методу оцінки порід на руйнування дає можливість більш обґрунтовано використовувати раціональне кріплення для охорони і підтримання гірничих виробок.

В четвертому розділі наведені результати шахтних досліджень впливу місця розташування виїмкових виробок, довжини виробленого простору, швидкості посування очисного вибою, терміну підтримання та анкерних систем на стійкість виробок.

Встановлено залежність зміни поперечного перерізу виїмкових виробок від відстані до лави при великих швидкостях посування очисного вибою. Доведено, що в зоні опорного тиску найбільші зміщення порід спостерігаються при відході лави від розрізної печі на відстань 176...250 м.

При довжині виробленого простору більшій за 700 м конвергенція порід у виїмкових виробках стабілізується, що свідчить про досягнення максимальних розмірів склепіння розвантаження у підроблюваному масиві.

У зоні інтенсивного зміщення порід, з відходом лави від розрізної печі на відстань до 700 м, конвергенція порід зростає. При подальшому зростанні протяжності виробленого простору величина конвергенції порід практично не змінюється.

Зі збільшенням швидкості посування очисного вибою з 2,6 до 6,1 м/добу збільшується швидкість зміщення порід. Так, на відстані 23...50 м від лави (у зоні опорного тиску) середня швидкість зменшення ширини виробки змінюється з 1,4 до 2,55 см/добу (присічна виробка) та з 2,3 до 3,55 см/добу (виробка в масиві). Середня швидкість конвергенції порід покрівлі та підошви змінюється з 2,6 до 4,1 см/добу та з 3,8 до 6,26 см/добу, відповідно в присічній виробці та виробці, яка підтримується в масиві.

Збільшення швидкості зміщення порід з ростом швидкості посування лави пояснюється тим, що при великій швидкості посування очисного вибою у виробленому просторі зависають породні консолі великої довжини, що призводить до зростання протяжності зони опорного тиску та до зростання в ній напружень.

Зміщення порід у виїмкових виробках суттєво залежить від строку підтримання. У результаті виконаних досліджень встановлено, що на відстані від 23 до 100 м від лави величина конвергенції порід покрівлі з підошвою та боків присічної виробки визначається за формулою

U_h = U_в = 0,75 t, (2)

де U_h, U_в - величина конвергенції порід покрівлі з підошвою та боків виробки, відповідно, см;

t - термін підтримання виробки, діб.

На відстані 100...700 м до лави конвергенція порід описується рівняннями:

- для порід покрівлі з підошвою у присічній виробці

U_h = 0,18 t, (3)

- для боків присічної виробки

U_в = 0,13 t, (4)

У виробках, що підтримуються в масиві, зміщення порід на дільниці 23...100 м від лави визначаються за формулою

U_h = U_в = 0,9 t. (5)

На відстані від лави 100...700 м зміщення порід у присічній виробці, та виробці, що підтримується в масиві однакові.

Доведено, що використання аркового піддатливого кріплення в поєднанні з анкерами та охороною виробки з боку виробленого простору литою смугою дає можливість використовувати комбіновані систем розробки з прямоточним провітрюванням очисних вибоїв. Використання на шахті "Красноармійська-Західна № 1" таких систем розробки дозволило збільшити ефективність дегазації на виїмкових дільницях на 20 % за рахунок можливості використання позаду лави до 30...50 одночасно працюючих свердловин. Реалізація комбінованої системи розробки у 1-й південній лаві блоку № 8 дозволила довести місячне навантаження до 103 тис. тон, а продуктивність праці ГРОВ - до 686 т/вихід. стійкість виїмкова виробка деформація

Для підвищення стійкості гірничих виробок розроблено спосіб, який полягає в тому, що попереду очисного вибою, за зоною опорного тиску в боку виробки з протилежної від виробленого простору сторони виконується виїмка пласта на глибину, що дорівнює його товщині (рис. 2). Замість вийнятого пласта вздовж виробки споруджується опорна смуга, яка сприймає навантаження та запобігає розвитку розвантаженої зони.

У п'ятому розділі наведені результати промислової перевірки та впровадження способів підвищення стійкості виробок.

На основі результатів виконаних досліджень по визначенню зміщень порід у виїмкових виробках в залежності від впливаючих факторів на шахті "Красноармійська-Західна № 1" були впроваджені запропоновані способи підвищення стійкості виїмкових виробок (змішане кріплення та опорна смуга). Так, використання змішаного кріплення (аркового піддатливого кріплення та анкерних систем) у 5-ій південній бортовій виробці блоку № 6, у 2-му південному конвеєрному штреці блоку № 2, у 1-му південному та 2-му південному конвеєрному штреках блоку № 8, та у 2-му південному конвеєрному штреці блоку № 5 показало, що стійкість виробок значно зросла.

Рис. 2. Комбінована схема охорони виробки з опорною смугою: 1 - штрек; 2 - вироблений простір; 3 - лита смуга; 4 - смуга вийнятого пласта; 5 - опорна смуга; 6 - виїмкове поле суміжного за падінням ярусу; 7 - пласт, відроблений діючою лавою.

Конвергенція порід покрівлі та підошви зменшилась у 1,25...1,5 рази у порівнянні з варіантами кріплення виробок тільки рамним кріпленням (рис. 3). Конвергенція порід боків виробок при цьому зменшилась у 1,1...1,25 рази.

Рис. 3. Зміна ширини (В) та висоти (h) виробки від відстані до лави (L): 1; 2 - зміна ширини виробки; 3;4 - зміна висоти виробки; 1; 3 - рамно-анкерне кріплення; 2; 4 - рамне кріплення.

У 1-му південному конвеєрному штреку центральної панелі блоку № 8 аркове кріплення з спецпрофілю СВП-27 встановлювалось з інтервалом 0,8 м, а анкерне кріплення встановлювалось попереду зони опорного тиску (рис. 4, а). У 2-му південному конвеєрному штреці бремсбергового поля блоку № 5 використовувалось аркове кріплення з спецпрофелю СВП-33 з інтервалом встановлення 0,8м. Попереду зони опорного тиску верхняки аркового кріплення підшивались анкерним кріпленням (рис. 4, б) до товстого шару пісковика, що залягає над пластом на відстані від нього 0,5...1,5 м. В останніх випадках для посилення рамного кріплення встановлювались анкери між рамами та під верхняки рам.

У 2-му північному конвеєрному штреку блоку № 5 для охорони та підтримання використовувалось змішане кріплення з литою та опорною смугами. Це дало змогу зменшити зміщення боків виробки у 2,5...3,0 рази.

Рис. 4. Схема кріплення виробок: 1 - анкера; 2 - рамне кріплення; 3 - пласт.

В результаті впровадження у 1-му та 2-му південних конвеєрних штреках центральної панелі блоку № 8 змішаного кріплення (аркове металічне кріплення та анкерні системи в сполученні з литою смугою) була досягнута можливість їх повторного використання. При цьому були знижені витрати на проведення виробок (в порівнянні з системою розробки при якій вентиляційний штрек проводиться вприсічку до виробленого простору), а також на ремонт та підтримання. Економічний ефект при протяжності виїмкового поля 1800 м склав 8567,6 тис. грн.

Крім цього використання раціональних способів охорони та підтримання виїмкових виробок (аркове кріплення та анкерні системи в сполученні з литою та опорною смугою) дозволило впровадити на шахті комбіновану систему розробки з прямоточним провітрюванням та видачею вихідного струменя на вироблений простір.

За рахунок цього у 1-ій південній лаві блоку № 8 було на протязі року видобуто 1 млн. т вугілля на пласті d₄ з природною газоносністю 16...21 м³/т с. б.м. Середньомісячне навантаження на лаву склало 83 тис. тон. Причому, в деякі дні видобуток складав 3000...4000 т/добу.

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій отримані нові рішення актуальної наукової задачі охорони та підтримання виїмкових виробок, що дозволяє використовувати комбіновану систему розробки, дає можливість збільшити навантаження на лаву та знизити собівартість видобуваємого вугілля.

Основні наукові результати і висновки, які одержані при виконанні роботи, полягають у наступному:

1. Встановлені параметри зони непружних деформацій та відстань від виробки до місця початку руйнування порід у розвантаженій зоні. Доведено, що в умовах шахти "Красноармійська-Західна № 1" зона непружних деформацій складає 50…57 % від розмірів розвантаженої зони.

2. Встановлені закономірності змінення поперечного перерізу виїмкових виробок від відстані до лави та від місця розташування виробок при великих швидкостях посування лави та заляганні у покрівлі пласта потужного пісковику, що дозволяє прогнозувати величину зменшення перерізу виробки. Площа виробки, що підтримується в масиві, зменшується з 15,25 м² до 11,8 м² (відстань до лави 20 м), а площа перерізу присічної виробки - з 15,25 до 12,3 м².

3. Вперше встановлено вплив швидкості посування лави з 2,6 до 6,1 м/добу на змінення швидкості зміщень порід. Причому, у виробках, що підтримуються у масиві, швидкість зміщення порід у 1,3...2,7 рази більша, ніж у присічних виробках. При попаданні виробок у зону опорного тиску швидкість зміщення порід підвищується у 1,6…1,8 рази.

4. Встановлені закономірності змінення конвергенції порід у виробках від строку їх підтримання. Доведено, що при відстані до лави менш 100 м конвергенція порід покрівлі та підошви у присічній виробці менше у 1,2 рази, ніж у виробці, що підтримується в масиві.

5. Встановлено вплив змішаного кріплення (рамного та анкерних систем) на підвищення стійкості виробок. Конвергенція порід покрівлі з підошвою зменшується у 1,25...1,5 рази у порівнянні з варіантами кріплення виробок тільки рамним кріпленням, а порід боків виробки - у 1,1...1,25 рази.

6. Розроблений новий спосіб підвищення стійкості виїмкових виробок, який полягає в тому, що попереду зони опорного тиску в боку виробки зі сторони, протилежній виробленому простору, виймають смугу пласта шириною, що дорівнює товщині пласта. Замість вийнятої смуги пласта споруджують опорну смугу, яка сприймає навантаження, що знижує інтенсивність руйнування пласта та створення розвантаженої зони.

7. За результатами роботи розроблено два галузевих технологічних регламенти та отримано один патент на винахід, впровадження яких дозволяє збільшити стійкість виїмкових виробок.

8. Впровадження розроблених способів охорони та підтримання виїмкових виробок тільки на 1-му та 2-му південних конвеєрних штреках центральної панелі блоку № 8 на шахті "Красноармійська-Західна №1" дозволило отримати економічний ефект в розмірі 8567,6 тис. грн.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ РОБОТАХ

1. Кольчик Е.И., Демченко А.И. Разрушение пород в разгруженной зоне // Физико-технические проблемы горного производства. - Донецк. - 2003. - №6, С. 130-137.

2. Демченко А.И., Ильяшов М.А. Влияние места заложения выемочных выработок на их устойчивость // Уголь Украины. - 2004, №5. - С. 12-13.

3. Кольчик Е.И., Демченко А.И. Влияние протяженности выработанного пространства на конвергенцию пород в штреке // Вісті Донецького гірничого інституту. - 2003. - № 2. - С. 82-84.

4. Демченко А.И. Опыт обеспечения высокопроизводительной работы лав на пластах средней мощности // Уголь Украины. - 2003. - №6. - С. 37-41.

5. Демченко А.И., Куласек М. Инженерное обеспечение устойчивого проветривания высоконагруженных лав в горно-геологических условиях пласта d₄ шахты "Красноармейская-Западная № 1" // Глюкауф. - 2003. - №4. - С. 45-50.

6. Байсаров Л.В., Демченко А.И., Ильяшов М.А. и др. Охрана штреков литыми полосами при разработке пологих пластов средней мощности // Уголь Украины. - 2001. - №9. - С. 3-6.

7. Деклараційний патент України № 68140 А Е 2 Д 11/00. Спосіб охорони виїмкових виробок / А.Д. Алексєєв, Є.І. Кольчик, М.М. Касьян, І.Є. Кольчик, А.І. Демченко, В.М. Ревва. - Опубл. 15.07.2004. Бюл. № 7.

8. Демченко А.И. Влияние скорости подвигания лавы на смещения пород в выемочных выработках // Физико-технические проблемы горного производства. - Донецк: 2004. - № 7. - С. 119-121.

9. Совершенствование технологии сохранения устойчивости повторно используемых выемочных выработок при обратном порядке отработки лав / А.Ф. Булат, А.Д. Алексеев, Л.В. Байсаров и др. - Донецк: ДУНВГО, 2004. - 24с.

10. Временный технологический регламент по охране подготовительных выработок угольных шахт литыми полосами из твердеющих материалов. - Днепропетровск: РИА "Днепр-VAL", 2004. - 33с.

11. Байсаров Л.В., Демченко А.И., Ильяшов М.А. Опыт применения анкерной крепи в условиях шахты "Красноармейская-Западная № 1" / Сборник научных трудов национальной горной академии Украины. - Днепропетровск: 2002. - № 15, том 2. - С. 102-108.

12. Яйцов А.А., Байсаров Л.В., Демченко А.И. Внедрение анкерного крепления при проходке подготовительных выработок и камер // Международный Энергетический Форум МЭФ СНГ-2002. - Ялта: 2002. - С. 601.

Особистий внесок автора в роботи, опубліковані у співавторстві:

[1] - аналітичне рішення визначення параметрів зони руйнування порід;

[2, 3] - обробка результатів вимірів та встановлення закономірностей зміщення порід та формування розвантаженої зони від місця розташування виробки та швидкості посування лави;

[5, 6] - аналіз досвіду та узагальнення результатів;

[7] - складання опису заявки;

[9] - складання технологічних карт;

[10] - складання розділу 4;

[11, 12] - впровадження анкерного кріплення та аналіз результатів.

Додаткові публікації:

1. Демченко А.И., Мирошниченко Г.И. Особенности отработки запасов на шахте "Красноармейская-Западная № 1" // Уголь Украины. - 2001. - № 8. - С. 24-25.

2. Демченко А.И., Грядущий Б.А., Беляков П.К., Кутковой И.В. Реализация программ технического перевооружения, ресурсосбережения и модернизации // Уголь Украины. - 2000. - №11. - С. 16-19.

3. Кольчик Е.И., Демченко А.И. Повышение устойчивости выемочных выработок в зоне влияния очистных работ // Физико-технические проблемы горного производства. - Донецк. - 2004. - №7, С. 208-213.

4. Дек. пат. 53569А Україна, МКИ Е 21В 33/138, Е 21Д 21/00. Цементно-мінеральна суміш для спорудження приштрекових смуг / Л.В. Байсаров, В.Ф. Грицай, Т.В. Михалко та ін. - Опубл. 15.01.2003. Бюл. № 1.

АНОТАЦІЯ

Демченко А.І. "Розробка та обґрунтування способів забезпечення стійкості виробок при інтенсивній відробці вугільних пластів". - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.02 "Підземна розробка родовищ корисних копалин". - Інститут фізики гірничих процесів НАН України, Донецьк, 2005.

Дисертація присвячена питанням підвищення стійкості виїмкових виробок при їх повторному використанні та великих швидкостях посування очисних вибоїв. Встановлені закономірності формування зони непружних деформацій навколо виробок, зміни розмірів виробок від відстані до лави та місця розташування виробок.

Встановлено вплив змішаного кріплення на стійкість виробок. Доведено, що використання рамного кріплення разом з анкерними системами зменшує конвергенцію порід покрівлі та підошви у 1,25...1,5 рази, а боків виробки - у 1,1...1,25 рази.

Розроблено новий спосіб підвищення стійкості виїмкових виробок за рахунок спорудження попереду зони опірного тиску опірної смуги.

Впровадження результатів роботи на шахті "Красноармійська-Західна № 1" дозволило отримати економічний ефект у розмірі 8567,6 тис. грн..

Ключові слова: гірничі виробки, виїмкові виробки, гірничий масив, гірничий тиск, деформація, зміщення порід, опорна смуга, швидкість зміщення, охорона та підтримання виробок.

АННОТАЦИЯ

Демченко А.И. "Разработка и обоснование способов обеспечения устойчивости выработок при интенсивной отработке угольных пластов". - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.02. - Подземная разработка месторождений полезных ископаемых. - Институт физики горных процессов НАН Украины, Донецк 2005.

Диссертация посвящена проблеме повышения устойчивости выемочных выработок при их повторном использовании и больших скоростях подвигания очистных забоев. Установлены новые закономерности формирования зоны неупругих деформаций и ее параметры. Определено расстояние от выработки до места начала разрушения пород в разгруженной зоне.

Установлены закономерности изменения поперечного сечения выемочных выработок от расстояния до лавы и от места расположения выработок при больших скоростях подвигания очистных забоев и залегании в кровле пласта мощного песчаника.

Установлено влияние изменения скорости подвигания лавы с 2,6 до 6,1 м/сут. на изменение скорости смещения пород. Доказано, что при больших скоростях подвигания забоев в выработках, поддерживаемых в массиве, скорость смещения пород в 1,3…2,7 раза выше, чем в присечных выработках.

Установлено влияние смешанного крепления (рамной крепи и анкерных систем) на повышение устойчивости выработок. Конвергенция пород кровли и почвы уменьшается в 1,25…1,5 раза по сравнению с вариантами крепления выработок только рамной крепью, а пород боков выработки - в 1,1…1,25 раза.

Разработан новый способ повышения устойчивости выемочных выработок, заключающийся в том, что впереди зоны опорного давления в боку выработки со стороны, противоположной выработанному пространству вынимают полосу пласта шириной, равной мощности пласта. Вместо вынутой полосы пласта сооружается опорная полоса, которая воспринимает нагрузку, что, снижает интенсивность разрушения пласта и образования разгруженной зоны.

Внедрение разработанных способов охраны и поддержания выемочных выработок на 1-ом и 2-ом южных конвейерных штреках центральной панели блока № 8 на шахте "Красноармейская-Западная № 1" позволило получить экономический эффект в размере 8567,6 тыс. грн.

Ключевые слова: горные выработки, зона неупругих деформаций, смещения пород, опорная полоса, скорость смещений, выемочные выработки, охрана и поддержание выработок.

ABSTRACT

Demchenko A.I. "Development and justification of methods for maintaining roadway stability during intensive extraction of coal seams". - Manuscript.

The thesis submitted for a candidate of technical science degree in the field 05.15.02. - Underground Mining. - Institute for Physics of Mining Processes, National Academy of Sciences of Ukraine, Donetsk, 2005.

Dissertation has been devoted to roadway stability due to their reuse at high rate of advance of longwall faces. New behavior of loosening zone around the roadway has been found, evolution of zone dimensions as a function of distance from the face and of placement this roadway relatively gob.

Effect of mixed support to roadway stability has been investigated. Use of arched support in combination with rock bolts reduces rock convergence: for roof and floor 1,25-1,5 times, for roadway sides 1,1-1,25 times.

New method has been developed to enhance roadway stability. This method uses abutment pack crib in front of abutment zone. Implementation of results of dissertation at "Krasnoarmiyska-Zachidna№1" coal mine yielded economic profit 8657,6 thousands grivnas.

Key words: roadways, entries, rock mass, rock pressure, deformations, rock movement, maintaining of the roadways.

Размещено на Allbest.ru

...