Геомеханічне обґрунтування просторового розміщення похилих виробок при відробці вугільних пластів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Державний вищій навчальний заклад

"Національний гірничий університет"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Геомеханічне обґрунтування просторового розміщення похилих виробок при відробці вугільних пластів

Спеціальність 05.15.04 - Шахтне та підземне будівництво

ОЛЕКСЮК Андрій Борисович

Дніпропетровськ-2011

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

вуглепородний виробка протяжний вентиляційний

Актуальність теми. Вугілля в Україні є одним з небагатьох енергоносіїв, запаси якого є в достатній кількості. Гірничо-геологічні умови залягання вугільних родовищ є складними, глибина їх розробки нерідко перевищує 1000 м. Видобуток газонасичених пластів вугілля супроводжується підвищенням температури породного масиву і такими проявами гірського тиску як здимання порід підошви виробок, раптові викиди вугілля, породи, газу, вивалоутворення. Усе це зумовлює застосування специфічних систем розробки, посилене провітрювання гірничих виробок, дотримання необхідних відповідно до «Правил безпеки…» поперечних перерізів вентиляційних і транспортних магістралей. Перераховані заходи вимагають чималих витрат, які в результаті збільшують собівартість вугілля, що видобувається, і знижують його конкурентоспроможність відносно інших енерго-носіїв.

Знизити витрати на підтримування виробок і підвищити їх стійкість можна за рахунок вибору раціонального місця розташування, що потребує в кожному конкретному випадку відповідних досліджень геомеханічних процесів, що відбуваються при проведенні та експлуатації виробок.

Таким чином, встановлення закономірностей перерозподілу напружено-деформованого стану навколо виробок при відповідному їх розташуванні в просторі, що дозволить підвищити їх стійкість та знизити витрати, пов'язані з їх експлуатацією, є актуальною науково-технічною задачею, що має велике народногосподарське значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Робота виконана відповідно до програми науково-дослідних робіт Національного гірничогоуніверситету, яка пов'язана з держбюджетною темою ГП-410 «Геомеханічне обґрунтування підземної технології інтенсивного видобування вугілля з урахуванням особливостей геологічного середовища» (№ держреєстрації 0108U000541).

Мета досліджень полягає в обґрунтуванні місця закладення основних відкочувальних і вентиляційних магістралей в складноструктурному шаруватому вуглепородному масиві в гірничо-геологічних умовах шахти ім. В.М. Бажанова.

Основна ідея досліджень полягає в урахуванні напружено-деформованого стану складного істотно неоднорідного вуглепородного масиву при обґрунтуванні параметрів схем розкриття і підготовки вугільних пластів на шахті ім. В.М. Бажанова.

Об'єктом досліджень є стійкість основних підготовчих виробок.

Предмет досліджень - параметринапружено-деформованого стану шаруватого складноструктурного вуглепородного масиву навколо основних підготовчих виробок.

Основні задачі досліджень включають:

обґрунтування актуальності досліджень, що виконувались, в області стійкості основних підготовчих виробок в гірничо-геологічних умовах шахти ім. В.М. Бажанова;

виконання натурних вимірів в гірничих виробках;

виконання лабораторних досліджень на еквівалентних матеріалах;

оцінка напружено-деформованого стану складноструктурного неоднорідного вуглепородного масиву навколо протяжних виробок;

розробка рекомендацій із розташування в просторі основних транспортних і вентиляційних магістралей в гірничо-геологічних умовах шахти ім. В.М. Бажанова.

Методи досліджень. Методичну основу досліджень складає комплексний підхід, який полягає в аналізі джерел інформації в області стійкості підземних гірничих виробок і методів оцінки напружено-деформованого стану породного масиву, ослабленого штучними порожнинами; натурних інструментальних спостереженнях; лабораторних дослідженнях, виконаних із залученням методу фізичного моделювання на еквівалентних матеріалах; у застосуванні чисельних методів вирішення геомеханічних задач; у використанні методів механіки суцільного деформованого твердого тіла, механіки руйнування, математичної статистики і теорії вірогідності при обробці результатів вимірів.

Наукові положення, що захищаються в дисертації, :

? геомеханічні процеси, котрі розвиваються навколо протяжних похилих виробок, проявляються у формі вертикальної і горизонтальної конвергенції, які змінюються в часі за експоненціальним законом, інтенсивність яких визначається положенням виробок відносно рівня підошви вугільного пласта, що припускає можливість оптимізації розташування їх в просторі з метою підвищення стійкості;

? інтенсивність зміни конвергенції , яка визначає стан гірничої виробки, чутливіша до величини аргументу l при розташуванні виробки нижче рівня вугільного пласта, що дозволяє знизити експлуатаційні витрати на її підтримування.

Наукова новизна отриманих результатів :

? уперше для гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов шахти ім. В.М. Бажанова встановлені закономірності деформації в часі основних транспортних і вентиляційних магістралей;

? обґрунтована геомеханічна модель підземної протяжної виробки, пройденої в істотно неоднорідному вуглепородному середовищі для умов шахти ім. В.М. Бажанова;

? уперше для гірничо-геологічних умов шахти ім. В.М. Бажанова встановлені закономірності розподілу напружень і переміщень навколо основних транспортних і вентиляційних магістралей і визначено таке положення виробок в просторі відносно рівня підошви вугільного пласта, при якому стійкість їх максимальна;

? встановлені нові закономірності зміни стійкості основних магістральних виробок залежно від їх розташування в просторі по відношенню до підошви вугільного пласта.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей розподілу еквівалентних напружень навколо одиночної підземної виробки, пройденої в істотно неоднорідному вуглепородному середовищі.

Практичне значення роботи полягає в розробці і впровадженні рекомендацій з раціонального розташування капітальних підготовчих виробок в просторі.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечується використанням апробованих методів досліджень, таких як механіка суцільного середовища, теорія вірогідності і математична статистика, теорія планування експерименту, і підтверджується задовільним збігом результатів натурних і чисельних експериментів.

Реалізація роботи в промисловості. Розроблена «Методика визначення раціонального місця закладення основних відкочувальних і вентиляційних магістральних виробок на шахтах ДП «Макіїввугілля» використовується при проектуванні параметрів систем розробки.

Особистий вклад автора полягає у формулюванні мети і основних задач досліджень, наукових положень, організації і виконанні натурних вимірів, виконанні лабораторних і аналітичних досліджень, розробці рекомендацій з розташування основних підготовчих виробок в гірничо-геологічних умовах на шахті ім. В.М. Бажанова, впровадженні розроблених рекомендацій в промисловості.

Апробація результатів досліджень. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися, обговорені і схвалені на засіданні науково-технічної ради шахти ім. В.М. Бажанова, на науковому семінарі кафедри будівництва і геомеханіки Державного ВНЗ «Національний гірничий університет», а також на міжнародних науково-технічних конференціях «Вдосконалення технології будівництва шахт і підземних споруд» (м. Донецьк, ДонНТУ, 2009 р.), «Форум гірників» (м. Дніпропетровськ, НГУ, 2009, 2010 р.р.), міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми і перспективи розвитку залізничного транспорту» (м. Дніпропетровськ, ДТУЗТ ім. Лазаряна, 2009 р.), міжнародній науково-технічній конференції, присвяченій 80-річчю кафедри будівництва і геомеханіки (м. Дніпропетровськ, НГУ, 2010 р.), міжнародній науково-технічній конференції «Неделя горняка» (м. Москва, МДГУ, 2011р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 8 статей, в т.ч. 4 - в спеціалізованих виданнях, і 4 ? в збірках матеріалів конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку літературних джерел із 121 найменування і двох додатків. Містить 102 сторінки машинописного тексту, 58 рисунків і 13 таблиць. Загальний обсяг дисертації складає 149 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вугілля в Україні є одним з небагатьох енергоносіїв, запаси якого є в достатній кількості. Гірничо-геологічні умови залягання вугільних пластів є складними, глибина їх розробки нерідко перевищує 1000 м. Видобуток газонасичених пластів вугілля супроводжується підвищенням температури породного масиву і такими проявами гірського тиску як здимання порід підошви виробок, раптові викиди вугілля, породи, газу, вивалоутворення. Усе це зумовлює застосування специфічних систем розробки, посилене провітрювання гірничих виробок, дотримання необхідних відповідно до Правил безпеки поперечних перерізів вентиляційних і транспортних магістралей. Перераховані заходи вимагають чималих витрат, які у результаті збільшують собівартість вугілля, що видобувається, і знижують його конкурентоспроможність відносно інших енергоносіїв.

Практика показує, що проведення горизонтальних і похилих гірничих виробок є найбільш об'ємною ланкою в їх будівництві. З іншого боку, однією з найбільш вагомих причин, від яких залежить ефективність роботи вугільних шахт, є стан протяжних гірничих виробок. Таким чином, дослідження, спрямовані на підвищення стійкості підземних протяжних виробок вугільних шахт і зниження витрат, пов'язаних із їх експлуатацією, є актуальними і мають велике народногосподарське значення.

Як базове для проведення досліджень прийняте державне підприємство з видобутку вугілля (ДП) «Макіїввугілля». Найбільш великим і перспективним підприємством, як за виробничою потужністю, так і за обсягами видобутку вугілля і проведення протяжних виробок, є ВАТ «Шахта ім. В.М. Бажанова», яка й обрана як основний об'єкт досліджень. Магістральні виробки похильного поля проводяться по виробленому простору раніше відпрацьованих ділянок після ущільнення обвалених порід.

Натурні візуальні та інструментальні спостереження виконувалися в Центральній вентиляційній магістралі (ЦВМ) і Центральному допоміжному похилі (ЦДП) гор. 1100 м похильного поля шахти ім. В.М. Бажанова, відібрані для цього у зв'язку з їх особливою важливістю для розвитку гірничих робіт і схожістю гірничо-геологічних умов розташування виробок при відмінностях в гірничотехнічних умовах, оскільки рівень підошви ЦДП відповідає рівню підошви пласта m₃, а ЦВМ закладена в покрівлі відносно рівня підошви пласта. Мета спостережень - отримання інформації про характер розвитку деформаційних процесів в приконтурному масиві, дослідження величини зміщень контурів виробок і оцінки загального їх стану залежно від зміни гірничотехнічної обстановки. При спостереженнях фіксувалися вертикальна і горизонтальна конвергенція, а також обчислювалися величини відносного показника стійкості , що визначається виразом:

,

де N₀ - загальна кількість рам кріплення на ділянці, шт.; N - кількість рам кріплення, що знаходяться в незадовільному стані, шт.

Візуальне обстеження ЦВМ показало, що і в ній, так само, як і в ЦДП, основними проявами гірського тиску є деформації верхняків рам кріплення, деформації аж до руйнування затягувань; деформації і розрив хомутів; здимання гірських порід; із зміщень контуру виробки переважають вертикальні.

Величина показника на усіх обстежених ділянках виробок не набувала значень вище за 0,7 і 0,55, а в районі сполучень - вище за 0,31 і 0,27…0,28 (для ЦДП і ЦВМ відповідно). В цілому стан ЦДП на момент обстеження можна визнати задовільним; із відходом на більшу глибину закладення загальний стан виробки погіршується, інтенсивність проявів гірського тиску в цілому зростає. Стан ЦВМ слід визнати поганим, сполучення також в незадовільному стані. Із збільшенням глибини її стан ще більш погіршується. Характер розвитку зміщень у виробках на найглибших для них станціях вимірів наведений на рис. 1.

Аналіз інструментальних спостережень на 182-у добу показує наступне. Максимальна горизонтальна конвергенція в ЦДП досягає понад 40,0 см. Найбільша величина вертикальної конвергенції - 55,0 см. Доля зміщень з боку покрівлі і підошви в загальній конвергенції - 40% і 60% відповідно. Основний вклад у вертикальну конвергенцію дають зміщення підошви - 33,2 см.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Залежності переміщеньвід часу, як горизонтальних, так і вертикальних, добре, з коефіцієнтом кореляції 0,96-0,98, апроксимуються експоненціальною функцією

.

На той же період (182-а доба) для ЦВМ максимальні горизонтальні зміщення склали 47,4 см, що на 17% більше, ніж для ЦВП. Максимальна величина вертикальної конвергенції склала 67,3 см. Доля зміщень з боку підошви також складає до 60% загальної вертикальної конвергенції і сягає максимального значення у 40,4 см. Апроксимація отриманих даних дає сімейство кривих того ж експоненціального вигляду - .

Отримані результати спостережень на станціях вимірів показують, що в схожих виробках - ЦДП і ЦВМ, що знаходяться в однакових гірничо-геологічних умовах, але на різній відстані від рівня підошви вугільного пласта, форма проявів гірського тиску дуже схожа - в основному зміщення з боку підошви, а ось характер їх розвитку в часі та інтенсивність відрізняються, роблячи умови підтримання ЦДП сприятливішими, незважаючи на більшу його протяжність в порівнянні з ЦВМ і більшу глибину розташування ділянки виміру в ній.

Наведений аналіз натурних спостережень дозволяє зробити висновок, що геомеханічні процеси, котрі розвиваються навколо протяжних похилих виробок, проявляються у формі вертикальної і горизонтальної конвергенції, які змінюються в часі за експоненціальним законом, інтенсивність яких визначається положенням виробок відносно рівня підошви вугільного пласта, що припускає можливість оптимізації розташування їх в просторі з метою підвищення стійкості.

Для з'ясування міри впливу на стійкість виробки її положення відносно підошви вугільного пласта були виконані експерименти на моделях з еквівалентних матеріалів. За еквівалентні матеріали була прийнята суміш з піску, парафіну і графіту з додаванням солідолу. Моделювалася товща порід, відповідна геологічному розрізу в місці закладення виробок: вапняк, вуглистий, глинистий і піскуватий сланці. Масштаб моделювання, що був прийнятий у експериментах є 1:100.

Для досліджень було визначено 31 ситуацію розміщення виробки в масиві відносно рівня підошви вугільного пласта: виробка в покрівлі (напрям «+») або підошві (напрям «-») пласта з варіюванням відстані l від рівня підошви пласта до підошви виробки в діапазоні від 0 до ±15 м. Глибина закладення виробки в моделях прийнята 900 м.

Аналіз результатів моделювання показує наступне. Характер деформації моделі в області, близькій до виробки, на усіх моделях був однаковим - основні зміщення розвивалися у вертикальному напрямі, величина вертикальної конвергенції навсіх випробуваних моделях більше за горизонтальну в середньому на 39-42%. За результатами дослідження побудовані залежності зміни висоти і ширини виробки від величини l (рис. 2).

Розвиток деформацій в моделях залежно від величини навантаження розрізняється при різному положенні виробки відносно рівня підошви пласта:

? при розташуванні виробки на рівні пласта вугілля (положення «0») інтенсивність зміщень починає зростати, досягши рівня навантаження 0,38, збільшуючись до моменту досягнення максимального навантаження на навантажуючому пристрої стенду, що дорівнює, в 3 рази в боках і в 3,13 рази по вертикалі;

? при розташуванні виробки вище рівня підошви вугільного пласта (напрям «+») інтенсивність зміщень починає зростати при навантаженні 0,44, збільшуючись до моменту досягнення навантаження в 3,1 рази в боках і в 3,14 рази по вертикалі;

? при розташуванні виробки нижче рівня підошви вугільного пласта (напрям «-») інтенсивність зміщень починає зростати тільки при величині навантаження 0,56 збільшуючись до моменту досягнення навантаження в 2,8 рази в боках і в 3,1 рази по вертикалі.

Порівняння абсолютних значень деформацій контуру в покрівлі, підошви і боках виробки при різних її положеннях показує, що при максимальному навантаженні () у виробках, розташованих вище за пласт (напрям «+») деформації в 1,67 рази (боки), 1,57 рази (покрівля), 1,78 рази (підошва) більше, ніж при розташуванні її у напрямі «-», і відповідно у 1,07, 1,09 і 1,13 рази менше, ніж при розташуванні її на рівні «0» (рівень підошви вугільного пласта).

Найбільші зміни висоти і ширини виробки спостерігаються при розташуванні її на рівні підошви і в покрівлі пласта і практично не залежать (у діапазоні до +/-15 м) від відстані від виробки до підошви вугільного пласта (рис. 2,а).

Найменші деформації приконтурного масиву виробки спостерігаються при розташуванні її нижче за рівень пласта (рис. 2,б), причому, починаючи з відстані
-7,0 м, відмінності у величині змін висоти і ширини виробки зменшуються і, з відстані -10,0 м і нижче, зміна положення виробки перестає позначатися на її стані.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Залежності зміни висоти і ширини виробки від відстані від рівня підошви вугільного пласта до підошви виробки при розташуванні її в напрямі: а) - вище за рівень пласта («+»); б) - нижче за рівень пласта («-»)

Таким чином, за результатами лабораторного моделювання, виходячи з величини зміщення контуру гірничої виробки, найбільш раціональним є її розташування нижче за рівень підошви пласта в діапазоні від -7,0 м до -10,0 м.

Для уточнення отриманих під час лабораторного моделювання результатів були виконані аналітичні дослідження на чисельних моделяхметодом скінчених елементів (МСЕ), реалізованим в програмному продукті, розробленому С.М. Гапєєвим на кафедрі будівництва і геомеханіки Державному ВНЗ «НГУ».

Задача вирішувалася в два етапи. На першому етапі визначалися розміри і форма області обвалених порід над лавою, і встановлювалося фактичне положення похилих виробок відносно меж цієї області. Розроблена розрахункова схема чисельної задачі, що повторює стратиграфічну ситуацію в 2-ій центральній лаві похильного поля пласта (розвантажувальній), в полі якої згодом проведена ЦВМ.

Оцінка розмірів зони руйнівного впливу (за О.О. Борисовим) здійснювалася за точковим і інтегральним критеріям, на основі методики, розробленої у Державному ВНЗ «НГУ» к.т.н. Н.В. Хозяйкіною.

Встановлено, що за результатами чисельного вирішення висота зони руйнівного впливу в цих умовах складає = 26,0 м, що практично співпадає (розкид 13%) з теоретичними оцінками за відомою формулою О.О. Борисова:

,

де ? потужність вугільного пласта, що виймається; ? межа вільного опускання основної покрівлі; ? середній коефіцієнт розпушування порід, = 2…3 - коефіцієнт запасу.

Фактичне місце розташування ЦВМ, з урахуванням області впливу виробки, що дорівнює 3-4 її радіусам, знаходиться повністю в межах зони руйнівного впливу (рис. 3), що дозволяє розглядати ЦВМ як одиночну виробку, пройдену у фактично однорідному масиві (в межах зони руйнівного впливу). Це, у свою чергу, дозволяє виконувати рішення задач другого етапу в плоскій постановці.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На другому етапі оцінювався рівень напружено-деформованого стану (НДС) навколо виробки при різному її розташуванні відносно підошви пласта. Рішення виконувалося як сукупність окремих плоских задач, в яких варіювалося положення ЦВМ відносно рівня підошви вугільного пласта з кроком 5,0 м, що фактично дорівнює половині радіусу області впливу ЦВМ на приконтурний масив.

Така величина кроку перебору варіантів розташування виробки вибиралася з міркувань точнішого відстежування зміни НДС масиву навколо неї. Кожна розрахункова схема відрізнялася одна від одної величиною зовнішнього навантаження і структурою порідного масиву, яка відповідала гірничо-геологічним умовам при тому або іншому положенні виробки і враховувала результати рішення задачі про зону руйнівного впливу (рис. 4).

З метою виключення впливу крайових ефектів в задачах другого етапу рішення розміри області породного масиву навколо виробки приймалися рівними В х Н ? 45х45 м, що приблизно дорівнює дванадцяти її радіусам. Глибина розташування досліджуваного перерізу виробки - 1100 м, вага порід враховувалася. Найнижче положення виробки відносно рівня підошви пласта прийняте таким, що дорівнює-7,0 м, оскільки нижче цього рівня залягає пласт вапняку, перетинання якого реальною виробкою не є технологічним.

а) б) в)

Рис. 4. Розрахункові схеми задач другого етапу і їх МСЕ-реалізації при різному розташуванні виробки відносно вугільного пласта: а) +10,0 м; б) 0,0 м; в) -7,0 м

Аналіз результатів показує наступне. Розміри областей непружних деформацій змінюються залежно від відстані до рівня підошви вугільного пласта. З відходом нижче цього рівня, тобто з виходом із зони руйнівного впливу шарів,що обвалюються, порід покрівлі розвантажувальної лави розміри області непружних деформацій зменшуються, розміцнення (розпушування) порід усередині цієї зони набуває регулярнішого характеру, про що свідчить колірна гамма елементів навколо виробки на моделях, наведених на рис. 5 - на рис. 5,а (фактичне положення виробки) кольори елементів в приконтурній зоні розподілені дуже нерівномірно і кількість таких елементів більше порівняно із ситуацією на рис. 5,в.

На рис. 6 наведена залежність відносного радіусу області непружних деформацій , виміряного в різному напрямі по контуру виробки, від відстані від рівня підошви вугільного пласта до виробки. Аналіз залежностей показує, що найбільш несприятливі умови з точки зору розвитку геомеханічних процесів навколо виробки, виражені розмірами області непружних деформацій, спостерігаються при розташуванні виробки в межах від +5,0 м до +20,0 м, а найбільш сприятливі умови, при яких радіус області непружних деформацій найменший з розглянутих положень виробки - при її розташуванні в породах підошви пласта на відстані -7,0 м. Розміри області непружних деформацій є добрим показником геомеханічного стану системи «гірнича виробка-породний масив», в той же час цей показник досить складний для контролю з гірничої виробки. Показником, дуже зручним для оцінки стану виробки і, в той же час, порівняно простим з точки зору отримання його кількісних величин, є переміщення на контурі. Крім того, як показують численні дослідження, показники «переміщення на контурі» і «розміри області непружних деформацій» добре корелюють один з одним.

а) б) в)

Рис. 5. Розміри зон непружних деформацій при деяких положеннях ЦВМ : а) початковому (+10,0 м); б) підошва виробки на рівні підошви пласта (0,0 м); в) підошва виробки на пласті вапняку (?7,0 м)



Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 7 наведений характер горизонтальної і вертикальної конвергенцій і зміщення покрівлі і підошви досліджуваної виробки (ЦВМ) при зміні відстані від її підошви до рівня підошви вугільного пласта. Вказані залежності досить добре апроксимуються експоненціальними функціями вигляду :

та,

де ? коефіцієнти апроксимації.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Найінтенсивніше значення як , так і відносно фактичного положення виробки (+10,0 м) змінюютьсяв ситуаціях її розташування нижче рівня підошви вугільного пласта. З виходом положення виробки в породи покрівлі інтенсивність зміни значень конвергенцій приблизно однакова як в діапазоні (0,0 м; +10,0 м), так і в діапазоні (+10,0 м; +15,0 м) і коливається в межах +/-5…7% від значень при положенні «+10,0 м» (фактичне розташування виробки)

На рис. 8 наведена залежність величини (інтенсивність зміни величини конвергенції) від відстані до рівня підошви вугільного пласта. Видно, що при переміщенні положення виробки вище її фактичного положення в межах зони руйнівного впливу (положення від «+10,0 м» до «+20,0 м») величини конвергенцій міняються не дуже істотно - зростають в межах 7-10% від стану «+10,0 м». При виході з цієї зони (положення «+25,0 м») стан виробки починає наближається до початкового, а приріст конвергенцій складає вже 5-8%. Тобто, варіювання положення виробки в межах зони руйнівного впливу достатньо слабо позначається на зміні стану виробки. В той же час, відхід виробки нижче її фактичного положення з виходом із зони руйнівного впливу в підошві вугільного пласта дуже активно позначається на зміні її стану, знижуючи величину деформацій контуру в 1,23 рази при відстані від пласта, що дорівнює -7,0 м.

Таким чином, інтенсивність зміни конвергенції , що визначає стан гірничої виробки, чутливіша до величини аргументу l при розташуванні виробки нижче рівня вугільного пласта, що дозволяє понизити експлуатаційні витрати на її підтримування.

Для перевірки висновків, отриманих при лабораторному і чисельному моделюванні відносно місця закладення головних транспортних і вентиляційних магістралей, були виконані натурні експерименти на шахті «Чайкине», що відпрацьовує пласт у схожих гірничо-геологічних умовах. Станції вимірів були закладені в конвеєрному похилі гор. 908 м. Спостереження протягом 90 діб велися одночасно і в ЦВМ на шахті ім. В.М. Бажанова і в конвеєрному похилі шахти «Чайкине», як на експериментальному, так і на контрольних ділянках.

Аналіз отриманих результатів показав, що усі залежності зміщень контуру від часу носять експоненціальний характер, геомеханічні процеси є затухаючими. При цьому на експериментальній ділянці величина горизонтальних зміщень в 1,8 рази, а вертикальних - в середньому в 1,6 рази менше, ніж на контрольних. В усіх випадках на контрольній ділянці висота підняття підошви в похилі не перевищувала 25-30 см. Експериментально отримані величини переміщень близькі до розрахункових, отриманих при чисельному моделюванні, розкид результатів не перевищує 11%. Хороша збіжність аналітичних і натурних результатів підтверджує зроблені в роботі висновки відносно раціонального місця закладення основних транспортних і вентиляційних магістралей в умовах, схожих з умовами відпрацювання пласта на шахтах ім. В.М. Бажанова і «Чайкине».

Розроблена за результатами досліджень «Методика визначення місця розташування головних відкочувальних та вентиляційних магістралей прийнята до використання в ДП «Макіїввугілля». Очікуваний економічний ефект від впровадження рекомендацій, отриманий за рахунок зменшення обсягів ремонтних робіт, склав 1 149,46 грн/рік на 1 п.м. виробки.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій на основі вперше встановлених для гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов шахти ім. В.М. Бажанова ДП «Макіїввугілля» закономірностей деформації контуру основних транспортних і вентиляційних магістралей вирішена актуальна науково-технічна задача підвищення стійкості підземних протяжних виробок вугільних шахт і зниження витрат, пов'язаних із їх експлуатацією, і розроблені рекомендації з раціонального їх розташування в просторі.

Основні наукові і практичні результати роботи полягають в наступному:

1. Виконаний аналіз виробничої діяльності шахт ДП «Макіїввугілля», що дозволило визначити мету і сформулювати основні задачі досліджень, які полягають в обґрунтуванні місця закладення основних відкочувальних і вентиляційних магістралей в складноструктурному шаруватому вуглепородному масиві в гірничо-геологічних умовах шахти ім. В.М. Бажанова.

2. Уперше для гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов шахти ім. В.М. Бажанова встановлені закономірності деформації в часі основних транспортних і вентиляційних магістралей.

3. Доведено при натурних дослідженнях, що геомеханічні процеси, котрі розвиваються навколо протяжних похилих виробок, проявляються у формі вертикальної і горизонтальної конвергенції, які змінюються в часі за експоненціальним законом, інтенсивність яких визначається положенням виробок відносно рівня підошви вугільного пласта, що припускає можливість оптимізації розташування їх в просторі з метою підвищення стійкості.

4. На моделях з еквівалентних матеріалів встановлені закономірності зміни стійкості основних магістральних виробок залежно від їх розташування в просторі відповідно підошви вугільного пласта. Доведено, що найменші деформації приконтурного масиву виробки спостерігаються при розташуванні її нижче за рівень підошви пласта в діапазоні від -7,0 м до -10,0 м.

5. Обґрунтована геомеханічна модель підземної протяжної виробки, пройденої в істотно неоднорідному вуглепородному середовищі.

6. Поставлена і вирішена чисельна задача про визначення розмірів зони руйнівного впливу (за О.О. Борисовим) в породах покрівлі розвантажувальної лави. За результатами чисельного рішення висота зони руйнівного впливу в цих умовах складає = 26,0 м, що практично співпадає (розкид 13%) з теоретичними оцінками за формулою О.О. Борисова.

7. Уперше для гірничо-геологічних умов шахти ім. В.М. Бажанова на основі математичного моделювання встановлені закономірності розподілу напружень і переміщень навколо основних транспортних і вентиляційних магістралей і визначено таке положення виробок в просторі відносно рівня підошви вугільного пласта, при якому стійкість їх максимальна.

8. Доведено на чисельних моделях, що інтенсивність зміни конвергенції , яка визначає стан гірничої виробки, чутливіша до величини аргументу l при розташуванні виробки нижче рівня вугільного пласта, що дозволяє знизити експлуатаційні витрати на її підтримування.

9. Порівняння результатів натурних вимірів і рішень чисельних задач показує, що вони досить близько співпадають - розкид склав в середньому дещо більше 11%, що вказує на достовірність отриманого чисельного результату і адекватність моделей, покладених в основу розрахунку.

10. Очікуваний економічний ефект, що досягається за рахунок скорочення витрат на роботи, пов'язані з проведенням ремонтних робіт у виробці, шляхом зниження об'єму порід, що видаляються з виробки при підриванні підошви і зменшення кількості ділянок перекріплювання, склав 1 149,46 грн/рік на 1 п.м.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Олексюк А.Б. Проблемы поддержания выработок на шахте им. В.М. Бажанова / А.Б. Олексюк, В.В. Раскидкин // Геотехническая механика.- 2007.- Вып. 73.- С.182-187.

Олексюк А.Б. Дослідження деформацій породного масиву навколо капітальної виробки на шахті ім. В.М. Бажанова / А.Б. Олексюк // Геотехническая механика.- 2009. - Вип. 82. - С.30-35.

Олексюк А.Б. Оценка состояния капитальных наклонных выработок при их комплексном исследовании в шахтных условиях / А.Б. Олексюк, С.Н. Гапеев // Науковий вісник НГУ.- 2010.- №3.- С.9-13.

Олексюк А.Б. Разработка способа обеспечения устойчивости подземной выработки в условиях шахты им. В.М. Бажанова / А.Б. Олексюк, С.Н. Гапеев, Р.Н. Терещук // Збірник наукових праць НГУ.- 2010.- №34, т.1.- С.105-115.

Олексюк А.Б. Способ охраны и поддержания подготовительных выработок в зоне влияния очистных работ / А.Б. Олексюк, С.Н. Гапеев // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений. Вып.15: Материалы междунар. научн.-технич. конф.- Донецк: «Норд-Пресс», 2009.- С.85-86.

Олексюк А.Б. Результаты использования физических моделей для разработки конструкций и мероприятий по охране воздухоподающего комплекса сооружений в шахтах / А.Б. Олексюк, А.В. Солодянкин // Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта: Тезисы 69 Междунар. научн.-практич. конференции.- Д.: ДТУЗТ, 2009.- С.203-204.

Олексюк А.Б. Результаты натурных наблюдений за состоянием капитальной выработки в условиях шахты им. В.М. Бажанова / А.Б. Олексюк // Форум гірників - 2009: Матеріали міжнародної конференції.- Дніпропетровськ: НГУ, 2009.- С.187-190.

Олексюк А.Б. Лабораторні дослідження геомеханічної ситуації навколо Центральної вентиляційної магістралі на шахті ім. В.М. Бажанова / А.Б. Олексюк, С.Н. Гапеев, Р.Н. Терещук // Форум гірників - 2010: Матеріали міжнародної конференції.- Дніпропетровськ: НГУ, 2010.- С.89-93.

Особистий внесок здобувача в роботах, написаних у співавторстві: [1] - узагальнення та аналіз досвіду підтримання виробок; [3, 4] - організація та проведення спостережень у шахтних умовах, узагальнення результатів; [4-6, 8] - розробка методики, виконання та аналіз результатів лабораторних досліджень.

Размещено на Allbest.ru

...