Геомеханічне обґрунтування параметрів обвалення важкокерованої покрівлі в лавах пологих пластів Донбасу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут фізики гірничих процесів

УДК 622.281.8:539.42(477.61/.62)

Геомеханічне обґрунтування параметрів обвалення важкокерованої покрівлі в лавах пологих пластів Донбасу

Спеціальність: 05.15.02 - Підземна розробка родовищ корисних копалин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Сергієнко Олександр Іванович

Донецьк 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики гірничих процесів НАН України (м. Донецьк).

Науковий керівник:

чл.-к. НАН України, доктор технічних наук, професор, лауреат Державної премії України, Алєксєєв Анатолій Дмитрович, директор Інституту фізики гірничих процесів НАН України (м. Донецьк).

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Касьян Микола Миколайович, завідувач кафедри розробки родовищ корисних копалин (Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України).

кандидат технічних наук, Канін Володимир Олексійович, завідувач відділу захисних пластів і управління станом гірського масиву (Український державний науково-дослідний і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України).

Захист відбудеться « 05 » лютого 2009 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.184.02 при Інституті фізики гірничих процесів НАН України за адресою: вул. Р. Люксембург, 72, 83114, м. Донецьк.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики гірничих процесів НАН України за адресою: 83114, м. Донецьк., вул. Р. Люксембург, 72.

Автореферат розісланий « 03 » січня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 11.184.02, доктор технічних наук В.Г. Синков

покрівля пологий зсув обвалення

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Сучасні тенденції розвитку вугільної промисловості України передбачають розробку вугільних родовищ на великих глибинах, у складних гірничо-геологічних умовах. Зі збільшенням глибини розробки все частіше над пластом залягають шари важкокерованої покрівлі. Ведення очисних робіт на цих пластах передбачає ряд додаткових заходів щодо управління покрівлею, які необхідні для стабільної й безпечної роботи видобувної дільниці.

Обвалення покрівлі, представленої потужними міцними пісковиками або слабкими глинистими сланцями, у привибійній частині лави веде до її зупинки, втрати видобутку вугілля. При заляганні слабких порід у покрівлі пласта відбувається руйнування їх на дрібні фракції, з утворенням куполів над секціями кріплення. Якщо в покрівлі пласта залягають міцні породи, відбувається обвалення покрівлі великими блоками, що призводить до затиснення секцій механізованого кріплення. Особливо інтенсивно зазначені явища спостерігаються в період первинної посадки основної покрівлі.

Втрати робочого часу по даним диспетчерських служб на шахтах Донбасу за 2003 рік становлять через обвалення порід - 15%; ремонту забійного устаткування - 25%; ремонту транспортного устаткування - 37%; інших втрат - 23%. Втрати робочого часу за 2008 рік: обвалення порід - 40%; ремонт забійного устаткування - 25%; ремонт транспортного устаткування - 23%; інших втрат - 12%. Зокрема, не прогнозоване обвалення покрівлі веде до підвищення травматизму на гірничих роботах.

Відсутність універсального методу розрахунку кроку первинного обвалення робить неможливим прогнозування поведінки покрівлі та вибір методів ефективного управління важкокерованою покрівлею на стадії проектування очисних робіт.

Таким чином, геомеханічне обґрунтування параметрів обвалення (крок обвалення, критерій характеру обвалення) важкокерованої покрівлі в лавах пологих пластів Донбасу є на сьогоднішній день актуальним завданням.

Зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в Інституті фізики гірничих процесів НАН України відповідно до загальнодержавних і галузевих програм і планів й узагальнює результати досліджень, отриманих у процесі виконання держбюджетної НДР: Встановлення закономірностей зміни фізико-механічного стану гірського масиву при підземній розробці вугільних пластів (0107U002130); Дослідження закономірностей поводження породного масиву над виробленим простором на еквівалентних матеріалах (0107U009335).

Метою даної роботи є геомеханічне обґрунтування параметрів обвалення важкокерованої покрівлі в лавах пологих пластів Донбасу для прогнозування кроку первинної посадки покрівлі та характеру обвалення порід.

Для досягнення поставленої мети в роботі сформульовані наступні завдання:

1. Виконати аналіз літературних джерел щодо поводження важкокерованої покрівлі в очисних вибоях при відпрацьовуванні пологих пластів;

2. Дослідити в шахтних умовах параметри зони опорного тиску, особливості зсуву покрівлі в виїмкових виробках попереду лави, крок первинного обвалення покрівлі, характер обвалення порід у очисних вибоях;

3. Дослідити методом фізичного моделювання характер взаємодії породних шарів покрівлі над виробленим простором і формування руйнівних зон при їх прогині;

4. Розробити узагальнений метод розрахунку прогину породних шарів над виробленим простором. Установити залежність граничного прогону породних шарів на момент первинного обвалення. Обґрунтувати критерій характеру обвалення породних шарів над очисним вибоєм.

Ідея роботи полягає в урахуванні механізму взаємодії породних шарів над виробленим простором при визначенні параметрів обвалення важкокерованої покрівлі.

Об'єкт досліджень - породи покрівлі над виробленим простором лав пологих пластів Донбасу.

Предмет досліджень - напружено-деформований стан важкокерованих порід покрівлі при веденні очисних робіт на пологих пластах.

Методи досліджень. Для рішення поставлених завдань у дисертації використаний системний підхід, що включає:

аналіз літературних джерел щодо поводження важкокерованої покрівлі в очисних вибоях при відпрацьовуванні пологих пластів;

натурні дослідження зсуву порід покрівлі в очисних вибоях, що включають визначення конвергенції бічних порід покрівлі виїмкових виробків, які піддаються впливу очисних робіт;

лабораторні дослідження, що включають фізичне моделювання й відробку пласта на моделях з еквівалентних матеріалів, при наявності у покрівлі потужних шарів пісковику;

аналітичні дослідження поводження масиву гірських порід над очисними виробками, які засновані на чисельних методах механіки суцільного середовища з урахуванням конкретних гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов розробки вугільних пластів.

Основні наукові положення, які захищаються в даній дисертаційній роботі:

1. Рівень руйнівних напружень породного шару визначається величиною діючого опорного тиску, який утворюється прогином певної кількості шарів, що входять до області зрушування, яка обмежується визначеними кутами прогину та обвалення;

2. Граничний прогін породного шару основної покрівлі потужністю від 5 до 30 м зі збільшенням довжини лави від 100 до 300 м на період первинної посадки зменшується на 18% - 36% відповідно;

3. Умови стану породного шару в період первинної посадки описуються двома критеріями характеру обвалення порід для верхньої і нижньої меж шару. На величину критерію впливає величина руйнівних напружень і міцністні характеристики порід. При й покрівля не обвалюється, при й шар обвалюється великими блоками, при й шар обвалюється дрібними фракціями, при й шар обвалюється як дрібними фракціями так і великими блоками.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Установлені й обґрунтовані зміни величини опорного тиску залежно від кількості шарів, що обрушилися або прогнулися в області зрушення над виробленим простором, які відрізняються тим, що вперше враховується їх кількість та послідовність зрушення;

2. Вперше обґрунтований і запропонований новий підхід до визначення прогину породних шарів над виробленим простором через розрахунок прогину двох взаємно перпендикулярних балок одиничної ширини;

3. Установлена залежність граничного прогону породних шарів покрівлі в області їхнього зрушення, що відрізняється від відомих методів тим, що вперше враховано формування руйнівних напружень на межах шарів і вплив довжини лави;

4. Вперше встановлений і обґрунтований критерій характеру обвалення безпосередньої й основної покрівлі на момент первинного обвалення залежно від типу руйнівних напружень на межах шарів, міцністних властивостей, потужності й кількості породних шарів, що входять до області зрушення.

Наукове значення роботи полягає у розвитку уявлень про формування граничного прогону покрівлі через урахування взаємодії породних шарів, що вище залягають, та в установленні закономірностей характеру обвалення покрівлі над очисним вибоєм.

Практичне значення полягає в прогнозуванні граничного прогону важкокерованої покрівлі та характеру її обвалення на момент первинної посадки.

Обґрунтованість та достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій забезпечується: використанням апробованих методів досліджень і методик розрахунку; аналітичними, лабораторними й шахтними спостереженнями; коректністю постановки й рішення завдань із застосуванням фундаментальних положень механіки гірських порід; збігом експериментальних та розрахункових результатів з погрішністю до 15%.

Особистий внесок здобувача полягає у визначенні мети, ідеї роботи, формулюванні задач досліджень і наукових положень. Розроблений та обґрунтований новий підхід до розрахунку параметрів обвалення важкокерованої покрівлі над очисним вибоєм у лавах пологих пластів. Проведено експериментальні дослідження й обрана методика обробки результатів. Автор особисто брав участь у шахтних спостереженнях, практичній реалізації й впровадженні результатів дослідження.

Апробація результатів роботи. Основні результати роботи були представлені й обговорені на наступних конференціях:

IV Міжнародній науковій конференції “Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів” - Донецьк, ДонНТУ, 2005р.;

IV Міжнародній науково-практичній конференції „Інформаційні технології в сфері освіти, міжнародного співробітництва й інтеграції освіти, науки й виробництва”- Дніпропетровськ, 2006р.;

науково-практичній конференції “Молодь та майбутнє” - Красноармійськ, КІІ ДонНТУ, 2005р.;

на науково-практичній конференції, присвяченій 85-річчю ДонНТУ „Геотехнології XXI століття” - Донецьк, ДонНТУ, 2006р.;

науково-технічній конференції „Наука й техносфера” - Красноармійськ, КІІ ДонНТУ, 2006р.;

науково-практичній конференції „Геотехнології й охорона праці в гірничій промисловості” - Красноармійськ, КІІ ДонНТУ, 2007р.;

науково-практичній конференції „Геотехнології й охорона праці в гірничій промисловості” - Красноармійськ, КІІ ДонНТУ, 2008р.;

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в 13 друкованих працях, з яких 5 статей у спеціалізованих наукових журналах і збірниках наукових праць, які затверджені ВАК України, 8 статей у різних збірниках і матеріалах конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із введення, чотирьох розділів, 3 додатків, викладена на 165 сторінках. Вона містить 94 рисунка, 14 таблиць, 101 використаних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі дисертації наведені особливості поведінки порід важкокерованої покрівлі при розробці пологих пластів, зроблено аналіз існуючих методів визначення опорного тиску у гірських масивах при веденні очисних робіт, особливості прояву гірського тиску на великих глибинах.

Основні труднощі при теоретичних дослідженнях механічних процесів, що відбуваються в масиві важкокерованих гірських порід, при очисному вийманні вугілля, полягають у виборі розрахункової схеми напруженого стану підробленого гірського масиву, досить ідеалізованої для того, щоб можна було одержати рішення задачі з визначення параметрів обвалення покрівлі, яке би відображало реальні особливості масиву й мало практичну цінність для інженерних розрахунків.

Проведений аналіз гіпотез гірського тиску показав, що основними механічними процесами, що відбуваються в масиві гірських порід, є розшарування порід покрівлі над очисним вибоєм при відході останнього від розрізної печі. Дія порід покрівлі на кріплення виробки пов'язана з їхнім розшаруванням над привибійним простором і формуванням області зрушування. Шари, що прогинаються над виробленим простором, формують опорний тиск і тиск на кріплення вибою.

Утворення тріщин попереду очисного вибою у вугільному пласті, покрівлі й іноді у підошві обумовлено деформаціями прогину порід покрівлі та їхньою міцністю.

Прогин шарів в області зрушення над виробленим простором, що формує опорний тиск, не має універсального аналітичного опису. Існуючі розрахункові методи справедливі для певних умов розробки.

Ґрунтуючись на викладеному аналізі, зроблений висновок про необхідність геомеханічного обґрунтування параметрів обвалення важкокерованої покрівлі в лавах пологих пластів Донбасу для прогнозування кроку первинної посадки лави та характеру обвалення порід.

Виходячи з викладеного, була сформульована мета роботи і були визначені задачі дослідження.

У другому розділі роботи наведені результати натурних досліджень проявів гірського тиску, гірничо-геологічна характеристика й особливості поводження гірського масиву на шахті «Красноармійська-Західна №1», а також методика натурних досліджень.

Установлено, що зміни висоти виїмкових виробок у зоні опорного тиску носить змінний характер (рис. 1). Збільшення інтенсивності зсуву покрівлі виїмкових виробок відбувається до посадки основної покрівлі. Це можна пояснити тим, що породні шари прогинаються над виробленим простором, як пружні плити на пружній основі.

Після обвалення порід покрівлі відбувається зменшення опорного тиску, що пояснюється зменшенням зсувів покрівлі виїмкових виробок.

У періоди первинної й вторинної обвалень основної покрівлі спостерігається різний характер обвалення порід. Потужні й міцні шари пісковиків і піщаних сланців обвалюються великими блоками. Потужні й слабкі породні шари глинистих і піщаних сланців обвалюються дрібними фракціями, здатними просипатися в привибійний простір.

Результати спостережень за кроком первинного обвалення безпосередньої й основної покрівлі для дільниць №1 й №3 представлені в таблиці 1.

Таблиця 1

Крок обвалення безпосередньої й основної покрівлі.

Дільниця	Дільниця №1	Дільниця №3
Покрівля	безпосередня покрівля	основна покрівля	безпосередня покрівля	основна покрівля
Шари	Пісковик 4,10 м Вугільний пласт 0,20 м	Пісковик 11,2 м	Сланець піщаний 7,8 м Пісковик4,35 м	Сланець піщаний 7,25 м, Пісковик 3,40 м
Крок обвалення	40-50 м	110-120 м	100 м	140 м

З натурних спостережень встановлено, що обвалення безпосередньої покрівлі дільниці №1 відбувалося великими блоками. У середині лави висота розсунення секцій кріплення не перевищувала 1,20 м при потужності виїмкового пласта 1,75 м. Обвалення безпосередньої покрівлі на дільниці №3 відбувалося комбіновано. Спостерігалися невеликі вивали порід розміром 0,6-1,2 м і зменшення висоти розсунення секцій кріплення до 1 м, при потужності виїмкового пласта 1,75 м.

Збільшення інтенсивності деформацій покрівлі та підошви виїмкових виробок зі збільшенням відходу лави свідчить про зростання величини опорного тиску. Значні зміщення порід у виїмкових виробках і характер обвалення порід над виробленим простором дозволяє припустити, що у формуванні опорного тиску беруть участь породні шари, що залягають вище основної покрівлі. Нерівномірна деформація виробки по її довжині залежить від зміни величини опорного тиску, яка буде визначаться з урахуванням кількості породних шарів, що залягають вище і прогнулися над виробленим простором в області їхнього зрушення.

У третьому розділі наведено результати фізичного моделювання дослідження поводження породного масиву на моделях із еквівалентних матеріалів.

Для умов шахти «Красноармійська-Західна№1» важкокерованість обумовлена наявністю потужних і міцних породних шарів у покрівлі пласта. Породний масив над розробленим пластом є дискретним, неоднорідним і складається з породних шарів, що мають чіткий міжшаровий контакт та різні характеристики міцності.

При вийманні пласта не спостерігається значних прогинів породних шарів над виробленим простором до певного його розміру. Кожен окремий шар до крихкого руйнування деформується пружно і являє собою суцільне ізотропне середовище.

Формування гірського тиску попереду очисного вибою здійснюється породними шарами, що входять в область зрушення над виробленим простором лави. Цей факт підтверджується ростом тиску на пласт попереду очисного вибою до первинного обвалення покрівлі. Нерівномірна зміна тиску на крайову частину пласта перед первинною посадкою покрівлі служить підтвердженням почергового деформування шарів перед обваленням. Почергове обвалення породних шарів дає підставу вважати гірський масив дискретним, який складається з окремих шарів.

Прогин шарів, які знаходяться в області зрушення, формує опорний тиск на крайову частину пласта. Область зрушення обмежується площинами обвалення і прогину породних шарів над виробленим простором, які нахилені до площини пласта під кутами і відповідно.

Послідовне, швидкоплинне обвалення шарів при первинній посадці покрівлі, указує на крихкий характер руйнування порід. Наявність або відсутність порід безпосередньої покрівлі не впливає істотно на процес формування опорного тиску.

В результаті моделювання встановлено, що прогин шарів над виробленим простором здійснюється послідовно, починаючи з безпосередньої покрівлі, та інших шарів які входять до області зрушення. В області зрушення породні шари діляться на групи шарів. До кожної групи входять несучий шар і шари додаткового навантаження, які обвалюються разом із несучим. Встановлено геометричні параметри області зрушення над виробленим простором, що необхідні для аналітичних розрахунків опорного тиску та руйнівних напружень. Породний масив від пласта до поверхні, в цілому, є дискретним і неоднорідним, так як складається з породних шарів, що мають чіткий міжшаровий контакт та різні міцністні властивості. Кожний породний шар при прогинанні поводиться як суцільне, пружне, однорідне, ізотропне середовище. Послідовне, швидкотекуче первинне обвалення шарів покрівлі указує на крихкий характер руйнування порід.

Четвертий розділ присвячений аналітичним дослідженням поводження масиву гірських порід над виробленим простором, попереду і над очисним вибоєм.

Попередніми дослідженнями встановлено, що породний шар над виробленим простором прогинається, як пружна, однорідна, ізотропна, товста плита. Розподіл деформацій та напружень в породному шарі розраховувались, методом Горбунова-Посадова. Врахування взаємодії породних шарів, що входять в зону зрушення, при визначенні вертикальних напружень у кожному шарі вимагає тривалої безперервної роботи сучасних комп'ютерів. Для шахтного оперативного розрахунку максимальних руйнуючих напружень необхідне створення простого методу розрахунку вигину порідних шарів.

Досліджуючи прогин товстих і тонких плит при різних граничних умовах, за допомогою методу кінцевих елементів, було визначено, що розрахунок максимального прогину плити можна звести до розрахунків максимальних прогинів двох взаємодіючих пересічних балок одиничної ширини (рис. 2), які розташовані удовж осей самої плити, за допомогою визначення коригувальних коефіцієнтів.

Запропонований підхід заснований на алгоритмі (табл. 2), дозволяє оперативно розраховувати максимальні прогини й напруження породних шарів в області зрушення.

При цьому граничні умови для плити стануть граничними умовами для балок. Залежно від крайових умов плити вважаємо балку, як жорстко затиснену або консольну.

При прогині шару, як жорстко закріпленої балки, максимальні напруження виникають у закладенні шарів. Дві точки 1 й 2 (рис. 3), в яких напруження є максимальними і розташованими на верхній і нижній границях шару характеризують різний напружений стан у місці закладення.

Для опису граничного стану порід приймаємо критерій міцності Кулона-Мора. За допомогою геометричної інтерпретації критерію міцності порід у формі прямокутних трикутників визначаємо тип діючих і граничнодопустимих напружень на верхній і нижній межах шару.

Взаємодія шарів над виробленим простором обумовлена розподілом породних шарів на групи, до яких відносяться несучі та шари додаткового навантаження. Розподілене навантаження, що діє на шар покрівлі з урахуванням шарів додаткового навантаження визначається за формулою

, (1)

де h - потужність несучого шару, м; - потужність шарів додаткового навантаження, м; - середня об'ємна вага породи, Н/м³.

Таблиця 2

Метод розрахунку тонких і товстих плит за допомогою двох взаємодіючих пересічних балок одиничної ширини.

Параметри	Плита, жорстко затиснена с 4-х сторін	Плита, жорстко затиснена з 3-х сторін й одна сторона вільна
максимальний прогин плити, м
коригувальний коефіцієнт
коефіцієнти поліному	, , .	, , , .
максимальні горизонтальні напруження по осі X
коригувальні коефіцієнти при визначенні горизонтальних напружень по осі X
	,	, .
максимальні горизонтальні напруження по осі Y
коригувальні коефіцієнти при визначенні горизонтальних напружень по осі Y
	, .	,
максимальні вертикальні напруження по осі Z

Сумарний опорний тиск , який формується згинаючими моментами від прогину, що передається верхніми шарами на розрахунковий шар, визначається за формулою:

, (2)

де i - номер шару, що розміщується вище та бере участь у зсуванні; - довжина прогону відшарованого і-го шару, м.

Сумарне максимальне вертикальне напруження на межах шару у точці 1, з урахуванням опорного тиску шарів, що розміщуються вище, визначається:

, (3)

де Н - глибина залягання шару, м;

Сумарне максимальне вертикальне напруження на межах шару - точка 2, з урахуванням опорного тиску шарів, що розміщується вище, враховує також внутрішнє вертикальне напруження, що створюється при прогині шару - , Па:

. (4)

Визначаючи напруження з вищеописаного алгоритму (табл. 2) з урахуванням виразів (2-4) і підставляючи їх в критерії граничного стану породного шару для точок 1 й 2, отримаємо два вирази для визначення граничного прогону (L_пр):

, (5)

, (6)

де й - коригувальні коефіцієнти відповідно для напружень по осях x та y: ; ;

- межа міцності порід на розтягання, Па;

- межа міцності порід на стиск, Па;

L_л - довжина лави, м; - коефіцієнт Пуассона.

Мінімальне значення цих прогонів є кроком обвалення шару. Якщо величина граничного прогону для точки №1 буде мінімальною, то руйнування шару відбудеться від дії напружень, що розтягують. Тріщини, що виникають під дією розтягання, ділять шари на блоки. Тому покрівля в очисному вибою буде обвалюватися блоками. Переважна довжина блоків буде залежати від характеристик міцності породи. Якщо для точки №2 величина граничного прогону буде мінімальна, то руйнування шару відбудеться від дії дотичних напружень при всебічному стиску. У цьому випадку породи шару в зоні висхідної гілки опорного тиску руйнуються на дрібні фракції, які здатні просипатися у вибійний простір.

Критерій характеру обвалення шарів для верхньої та нижньої його границі представлені наступними виразами:

, (7)

. (8)

Відповідно до вище розроблених критеріїв характеру обвалення покрівлі пропонується категоризація стану породного шару:

Для забезпечення безаварійної роботи лав необхідно на стадії проектування очисних робіт ураховувати, яким чином буде відбуватися обвалення покрівлі над очисним вибоєм. Залежно від переваги діючих напружень при вигині шару обвалення може відбуватися великими блоками від дії напружень, що розтягують, і дрібними фракціями від руйнування порід під дією дотичних напружень в умовах всебічного стиску.

За запропонованим критерієм характеру обвалення шару визначаємо тип обвалення. На рисунку 4 представлені результати обчислень за запропонованим алгоритмом розрахунку (табл. 2) з урахування критеріїв характеру обвалення (7) та (8).

Встановлено, що для сланцю глинистого та сланцю піскового, у залежності від потужності шару, покрівля може обрушатися, як дрібними фракціями, так і великими блоками.

Запропоновані в роботі рекомендації та заходи щодо прогнозування параметрів обвалення важкокерованої покрівлі впроваджені на шахтах «Красноармійська-Західна №1», «Родинська» та на шахті ім. Стаханова, що дозволить одержати очікуваний економічний ефект у розмірі 1192,6 тис. грн/рік.

ВИСНОВОК

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій отримані нові науково обґрунтовані результати в області підземної розробки родовищ корисних копалин. Одержанні теоретичні і експериментальні залежності між параметрами обвалення важкокерованої покрівлі на лавах пологих пластів Донбасу та механічні і геометричні характеристики шаруватого гірського масиву, які в сукупності уявляють собою нове вирішення актуальної наукової задачі встановлення закономірностей обвалення важкокерованої покрівлі з урахуванням взаємодії вище лежачих породних шарів, яке має важливе народно-господарче значення.

Головні виводи й результати роботи полягають у наступному:

1. На формування величини руйнівних напружень, що формуються у безпосередній та основній покрівлі попереду очисного вибою, на момент первинної посадки, впливає кількість та міцність породних шарів, які знаходяться у зоні зсуву;

2. У верхній частині закладення шару у зоні опорного тиску руйнування породи відбувається під дією напружень, що розтягують. У нижній частині закладення шару, в зоні опорного тиску руйнування порід відбувається під дією дотичних напружень від всебічного стиснення;

3. Обвалення порід покрівлі дрібними фракціями або великими блоками залежить від виду напружено-деформованого стану. При руйнуванні породного шару від узагальненого розтягання, шар ділиться на блоки. При руйнуванні порід під дією дотичних напружень, обвалення відбувається дрібними фракціями;

4. Характер руйнування породного шару й характер обвалення порід залежать від потужності шару, міцності порід і розміру виробленого простору;

5. Розроблений новий підхід до визначення прогину породних шарів над виробленим простором через розрахунок прогину двох взаємно перпендикулярних балок одиничної ширини;

6. На підставі отриманих теоретичних та експериментальних досліджень розроблений нормативний документ «Мероприятия по прогнозированию первичной посадки основной кровли в лавах пологих пластов Донбасса», затверджений Міністерством вугільної промисловості України (21.05.2008);

7. Запропоновані в роботі рекомендації та заходи щодо прогнозування параметрів обвалення важкокерованої покрівлі впроваджені на шахтах «Красноармійська-Західна №1», «Родинська» та на шахті ім. Стаханова, що дозволить одержати очікуваний економічний ефект у розмірі 1192,6 тис. грн/рік.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ Й РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ РОБОТАХ

1. Сергиенко А.И. Численные методы исследования изменения напряжений в горном массиве над выработанным пространством лав // Молодь та майбутнє. Збірник праць конференції. - Красноармійськ: КІІ ДонНТУ, 2005. С. 24 -28.

2. Кольчик Е.И. Управление горным давлением при охране горных выработок // Е.И. Кольчик, В.А. Болбат, А.И. Сергиенко. Физико-технические проблемы горного производства. Сб. научных трудов. - Вып. №8. - Донецк: Институт физики горных процессов НАН Украины, 2005. - С.159-163.

3. Лобков Н.И. Моделирование зоны распределения деформаций и напряжений в горном массиве при разработке угольных пластов // Н.И. Лобков, А.И. Сергиенко. Геотехнологии и управление производством XXI века. Монография в 2-х томах. Том 1 - Донецк: ДонНТУ, 2006 - С.72-76.

4. Лобков Н.И. Исследование характера поведения породного массива над выработанным пространством лав. // Н.И. Лобков, А.И. Сергиенко, Л.Г. Сергиенко. Сб. трудов конференции «Наука та техносфера» - КИИ ДонНТУ, 2006, С.15-20.

5. Лобков Н.И. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния горного массива при разработке угольных пластов // Н.И. Лобков, А.И. Сергиенко. Сб. трудов конференции «Наука та техносфера» - КИИ ДонНТУ, 2006, С.38-43.

6. Лобков Н.И. Моделирование характера поведения породного массива над выработанным пространством лав // Н.И. Лобков, А.И. Сергиенко, Л.Г. Сергиенко. Сборник научных трудов НГУ №26, Том 1 - Днепропетровск: РВК НГУ, 2006. С.56-65.

7. Кольчик Е.И. Влияние мощных песчаников и скорости подвигания лавы на проявления горного давления в выемочных выработках // Е.И. Кольчик, И.Е. Кольчик, А.И. Сергиенко. Физико-технические проблемы горного производства. Сб. научных трудов. - Вып. № 9. - Донецк: Институт физики горных процессов НАН Украины, 2006. - С.147-152.

8. Лобков Н.И. Исследование процесса деформирования слоистого горного массива над очистной выработкой // Н.И. Лобков, В.Е. Жуков, А.И. Сергиенко. Физико-технические проблемы горного производства. Сб. научных трудов. - Вып. № 9. - Донецк: Институт физики горных процессов НАН Украины, - 2006. - С.219-225.

9. Лобков Н.И. Аналитические исследования сдвижения горного массива над выработанным пространством // Н.И. Лобков, А.И. Сергиенко. Сб. трудов конференции «Геотехнологии и охрана труда в горной промышленности», КИИ ДонНТУ - Донецк: ООО «Норд Компьютер», 2007 - С.6-13.

10. Лобков Н.И. Определение разрушающих напряжений от прогиба слоев над выработанным пространством // Н.И. Лобков, А.И. Сергиенко, Л.В. Сергиенко, В.М. Куцерубов, Е.Н. Халимендиков. Физико-технические проблемы горного производства. Сб. научных трудов. - Вып. №10- Донецк: Институт физики горных процессов НАН Украины, - 2007 - С.119-127.

11. Лобков Н.И. Пространственное моделирование напряженно-деформированного состояния горного массива при различных способах отработки лав, для условий охраны горных выработок // Н.И. Лобков, А.И. Сергиенко, Л.В. Сергиенко. Сб. трудов конференции «Геотехнологии и охрана труда в горной промышленности», КИИ ДонНТУ - Донецк: ООО «Цифровая типография», 2008.- С.17-24.

12. Ильяшов М.А. Оценка влияния скорости подвигания очистного забоя на вмещающие боковые породы // М.А. Ильяшов, Е.Н. Халимендиков, Н.И. Лобков, В.М. Куцерубов, А.И. Сергиенко. Уголь Украины №8, 2008. - С.11-13.

13. Лобков Н.И. Определение разрушающих напряжений и предельного пролета кровли в очистных забоях // Н.И. Лобков, А.И. Сергиенко, Е.Н. Халимендиков. Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамическими явлениями в горных породах и выработках: Матер. XVIII Межд. науч. школы. Симферополь: Таврич. нац. ун.-т, 2008. - 368 с. (С. 199-201).

Особистий внесок автора в роботи, опубліковані у співавторстві: [2] - проведення чисельного аналізу НДС масиву при різних варіантів охорони виробок; [3, 4, 5, 6] - математичне дослідження розподілу напружень та деформацій навколо очисного вибою; [7] - аналіз та проведення натурних досліджень впливу формування опорного тиску на деформування виїмкових виробок; [8] - фізичне моделювання підробленого гірського масиву на моделях із еквівалентних матеріалів; [9] - аналітичні дослідження прогину породних шарів над виробленим простором; [10] - розробка нового підходу визначення руйнівних напружень породних шарів; [11] - чисельне моделювання стану гірського масиву при різних схемах відробки лав; [12] - визначення критерію характеру обвалення покрівлі; [13] - визначення довжини граничного прогону порід покрівлі.

АНОТАЦІЇ

Сергієнко О.І. Геомеханічне обґрунтування параметрів обвалення важкокерованої покрівлі в лавах пологих пластів Донбасу. - 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, 2008.

Дисертація присвячена питанням прогнозу обвалення важкокерованої покрівлі в лавах пологих пластів Донбасу. В роботі запропоноване нове рішення актуального наукового завдання: обґрунтування параметрів обвалення важкокерованої покрівлі в лавах пологих пластів Донбасу, яке полягає в створінні нового підходу до розрахунку визначення кроку первинної посадки покрівлі і критерію характеру обвалення порід.

Обґрунтовано і встановлено зміну величини опорного тиску залежно від кількості шарів, що входять до області зрушення над виробленим простором, з урахуванням їх кількості і послідовності зрушення. Встановлена залежність руйнуючих напружень на верхній і нижній меж породного шару від кількості шарів, що прогнулися або обрушилися, які беруть участь в області зрушення.

Установлена залежність граничного прогону породних шарів покрівлі в області їхнього зрушення, яка враховує формування руйнівних напружень на межах шарів і вплив довжини лави.

Обґрунтований і встановлений критерій характеру обвалення безпосередньої й основної покрівлі на момент первинної посадки залежно від типу руйнівних напружень на межах шарів, міцністних властивостей, потужності й кількості породних шарів, що входять до області зрушення.

Встановлено, що для сланцю глинистого та сланцю піскового, у залежності від потужності породного шару, покрівля може обрушатися, як дрібними фракціями, так і великими блоками.

Використовування результатів роботи на гірничих підприємствах дозволить обґрунтовано застосовувати необхідні заходи щодо управління важкокерованої покрівлі, уникнути аварійних ситуацій і підвищити безпеку ведення очисних робіт.

На базі виконаних досліджень були розроблені рекомендації за визначенням параметрів обвалення на момент первинної посадки безпосередньої і основної покрівлі, які були впроваджені на шахтах «Красноармійська-Західна№1», «Родинська», ім. Стаханова. Була отримана хороша збіжність прогнозних і фактичних даних, з точністю до 15%. Очікуваний економічний ефект для трьох добувних дільниць від впровадження цих заходів складе 1192,6 тис. грн./рік.

Ключові слова: шахта, лава, породні шари, гірський тиск, граничний прогін, параметри обвалення.

Сергиенко А.И. Геомеханическое обоснование параметров обрушения трудноуправляемой кровли в лавах пологих пластов Донбасса. - 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, 2009.

Диссертация посвящена вопросам прогноза обрушения трудноуправляемых кровель в лавах пологих пластов Донбасса. В работе предложено новое решение актуальной научной задачи: обоснование параметров обрушения трудноуправляемой кровли в лавах пологих пластов Донбасса, которое заключается в создании расчетного метода определения шага первичной посадки кровли и критерия характера обрушения пород.

Обосновано и установлено изменение величины опорного давления в зависимости от количества слоев, входящих в область сдвижения над выработанным пространством, с учетом их количества и последовательности сдвижения. Установлены зависимости разрушающих напряжений на верхней и нижней границе породного слоя, от количества прогнувшихся или обрушившихся слоев, участвующих в области сдвижения.

Установлена зависимость длины предельного пролета породных слоев кровли в области их сдвижения от длины лавы, мощности слоя, прочностных характеристик пород и величины опорного давления. Обоснован и установлен критерий характера обрушения непосредственной и основной кровли на момент первичной посадки в зависимости от типа разрушающих напряжений на границах слоев, прочностных свойств, мощности и числа породных слоев, которые входят в область сдвижения.

Установлено, что для сланца глинистого и сланца песчаного, в зависимости от мощности породного слоя, кровля может обрушаться, как мелкими фракциями, так и крупными блоками.

Использование результатов работы на горных предприятиях позволит обоснованно применять необходимые мероприятия по управлению трудноуправляемой кровлей, избежать аварийных ситуаций и повысить безопасность ведения очистных работ.

На базе выполненных исследований разработаны рекомендации по определению параметров обрушения на момент первичной посадки непосредственной и основной кровли, которые внедрены на шахтах «Красноармейская-Западная №1», «Родинская», им. Стаханова. Получена хорошая сходимость прогнозных и фактических данных, с точностью до 15%. Ожидаемый экономический эффект для перечисленных шахт от внедрения составил 1192,6 тыс. грн./год.

Ключевые слова: шахта, лава, породные слои, горное давление, предельный пролет, параметры обрушения.

Sergienko A.I. Geomechanical a substantiation of parameters a collapse an unhandy roof in longwall of flat seams of Donbass. The thesis on competition of a scientific degree of a Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.15.02 - „Underground mining of mineral deposits”. - Institute of physics forges of processes NAS of Ukraine, Donetsk, 2009.

The thesis is devoted questions of the forecast of a roof fall of unhandy roofs in longwalls of flat seams of Donbass. In which new solution of an actual scientific problem is offered: a substantiation of parametres of a roof fall of a difficult-to-control roof in longwall of flat seams of Donbass which consists in creation of a settlement method of definition of a step of a fundamental caving and criterion of character of a roof fall of soils.

Change of size of an abutment pressure depending on quantity of the layers entering into area of moving over a goaf, taking into account their quantity and sequence of moving is proved and established. Dependences of bursting stresses on the top and bottom boundary of a pedigree layer, from quantity of the caved in or fallen layers participating in area moving are established.

Dependence of limiting flight of pedigree layers of a roof in the field of their moving from power of a layer, properties of soils, size of an abutment pressure, length of longwall is established.

The criterion of character of a roof fall direct and a main roof at the moment of fundamental planting depending on type of bursting stresses on boundaries of layers, properties, power and number of pedigree layers which enter into moving area is proved and established. It is established, that at one type of soils, depending on power of a layer, the roof can cave in, both fine fractions, and large blocks.

Use of results of operation on mines will allow is proved to apply necessary actions for management of a difficult-to-control roof, to avoid emergencies and to raise safety of conducting coal-face works. On the basis of the executed researches recommendations about definition of parameters of a roof fall at the moment of fundamental planting direct and a main roof which are introduced on mines "Krasnoarmejskaja-Zapadnaja №1", "Rodinsky" and mine of Stakhanov are developed. Good convergence of the forecast and the fact sheet, about accuracy to 15 % is received. Expected economic benefit for the listed mines from an intrusion will make more than 1192,6 thousand grn./year.

Keywords: mine, longwall, rock layers, a mining pressure, limiting flight, roof fall parametres.

Размещено на Allbest.ru

...