Обґрунтування параметрів комбінованої охоронної системи зростаючого опору для підтримання виїмкових штреків

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ ГІРНИЧИХ ПРОЦЕСІВ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ КОМБІНОВАНОЇ ОХОРОННОЇ СИСТЕМИ ЗРОСТАЮЧОГО ОПОРУ ДЛЯ ПІДТРИМАННЯ ВИЇМКОВИХ ШТРЕКІВ

Спеціальність 05.15.02 - «Підземна розробка родовищ корисних копалин»

КОЖУШОК Олег Денисович

Донецьк - 2009

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Ільяшов Михайло Олександрович, перший заступник генерального директора ЗАТ «Донецьксталь» (м. Донецьк).

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Шашенко Олександр Миколайович, завідувач кафедри будівництва і геомеханіки Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ);

- кандидат технічних наук Сахно Іван Георгійович, доцент кафедри розробки родовищ корисних копалин Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України (м. Донецьк).

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. З врахуванням нових реальностей в світовій економіці одним з ключових моментів подальшого становлення державності України є її енергетична безпека. Виходячи з сучасних геологічних даних, основним енергоносієм власного видобутку в Україні в найближчому майбутньому залишиться кам'яне вугілля.

Характерним для вугільної промисловості України є прогресуюче погіршення гірничо-геологічних умов на більшості підприємств. Наслідком є стрімке зростання витрат на підтримання і ремонт підготовчих виробок. Перехід на глибокі горизонти при використанні високопродуктивної техніки вимагає забезпечення прямоточного провітрювання лави, що означає необхідність підтримання виїмкових штреків після її проходу. Традиційні схеми охорони, що орієнтовані на використання рамного кріплення в складних гірничо-геологічних умовах збільшення гірського тиску та несприятливих особливостей структури масиву малоефективні, в першу чергу із-за малої несучої здатності. Виникла нагальна потреба створення наукових основ, розробки та впровадження комбінованих охоронних систем, які забезпечили б суттєве зниження деформацій контуру виробок, що прилягають до очисного вибою. Важливим аспектом вказаної проблеми є обґрунтування параметрів комбінованої охоронної системи зростаючого опору для підтримання виїмкових штреків. Це є актуальна наукова задача, що має важливе прикладне значення для української вугільної галузі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні положення дисертаційної роботи сформовані автором в процесі виконання науково-дослідної держбюджетної роботи в Інституті фізики гірничих процесів НАН України «Встановлення закономірностей зміни фізико-механічного стану гірського масиву при підземній розробці вугільних пластів» (№ держреєстрації 0107U002130).

Мета і завдання дослідження. Мета роботи полягає в обґрунтуванні параметрів комбінованої охоронної системи зростаючого опору, яка повинна забезпечити підтримання виїмкових штреків в складних гірничо-геологічних умовах.

Основними завданнями роботи є наступні:

провести аналіз типових для шахт Донбасу гірничо-геомеханічних умов підтримання підготовчих виробок при інтенсивному відпрацюванні вугільних пластів з оцінкою характеристик порід та штучних кріпильних матеріалів;

виконати натурні дослідження механізму та ефективності роботи окремих елементів комбінованої охоронної системи;

виконати моделювання взаємодії базового та перспективних варіантів комбінованої охоронної системи з породним масивом;

обґрунтувати склад і параметри комбінованої охоронної системи зростаючого опору для підтримання виїмкових штреків, розробити технологію зведення елементів системи та виконати перевірку ефективності її роботи.

Ідея роботи полягає в урахуванні особливостей комплексної взаємодії окремих елементів комбінованої охоронної системи зростаючого опору один з одним і всієї системи з породним масивом для визначення її складу та параметрів відповідно до умов роботи.

Об'єкт досліджень - процес взаємодії охоронних систем з масивом.

Предмет досліджень - комбіновані охоронні системи для підтримання виїмкових штреків.

Методи дослідження. При лабораторних дослідженнях визначено властивості порід та штучних матеріалів охоронних конструкцій та на моделях з еквівалентних матеріалів встановлено основні закономірності розвитку деформаційних процесів високонавантаженої системи «комбінована охоронна конструкція - масив». Шляхом комп'ютерного моделювання отримано розподіл напружень в масиві та елементах комбінованої охоронної системи підготовчої виробки, призначеної для повторного використання. Натурні дослідження, дали змогу зробити оцінку ефективності роботи окремих елементів охоронних систем і провести перевірку нових технічних рішень, реалізованих при створенні комбінованої охоронної системи зростаючого опору.

Наукові положення, що захищаються в дисертації:

при твердненні матеріалу литої смуги напруження початку тріщиноутворення пов'язане з часом тверднення логарифмічною залежністю;

нерівномірність розподілу навантажень на рамне кріплення при підході лави проявляється в переважаючому зростанні тиску на верхняк за 30 - 60 м до неї, інтенсифікації бокових стискаючих зусиль симетричного характеру за 30 - 5 м до лави та переході до асиметричного навантаження на раму за рахунок збільшення тиску в основному з боку лави, починаючи з відстані 5 м до неї;

комплексна взаємодія комбінованої охоронної системи в складі рамного і анкерного стяжного кріплення та литої смуги з масивом після проходу лави викликає утворення з боку відпрацьованого простору зони знижених напружень, розміри якої зростають при зменшенні жорсткості литої смуги, що забезпечується використанням в її структурі внутрішніх розвантажувальних елементів.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

вперше експериментально встановлено логарифмічну залежність між часом тверднення штучного будівельного матеріалу та величиною стискаючого напруження, при якому відбувається утворення тріщин в матеріалі, що покладено в основу способу визначення напружень в литій смузі в натурних умовах;

дістали подальший розвиток уявлення про етапи зміни розподілу навантаження з врахуванням ступеня асиметрії на елементи рамного кріплення виробки в залежності від відстані до лави;

вперше теоретично обґрунтовано підхід щодо зниження напружень в масиві з боку відпрацьованого простору шляхом використання комбінованої охоронної системи зростаючого опору в складі рамного і анкерного стяжного кріплення та литої смуги, що містить внутрішні розвантажувальні елементи.

Наукове значення одержаних результатів полягає у встановленні нових, не відомих раніше, закономірностей взаємодії з породним масивом елементів комбінованої охоронної системи зростаючого опору.

Практичне значення одержаних результатів полягає у методичному забезпеченні вибору конструкції і параметрів комбінованої охоронної системи для підтримання виїмкових штреків та здійснення оперативного контролю за їх станом шляхом розробки, затвердження та передачі проектним організаціям нормативно-технічної документації галузевого рівня, а також в позитивному досвіді перевірки ефективності варіанту запропонованої охоронної системи, проведеної в типових для Донбасу умовах.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечується необхідною кількістю лабораторних випробувань, використанням серійних засобів вимірювань з приведеними похибками не більше 2%, достатнім обсягом шахтних спостережень з використанням апробованих методик, використанням фундаментальних положень механіки гірських порід, розбіжністю не більше 10% між результатами моделювання та даними, отриманими в натурних умовах, позитивними результатами впровадження розробок.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульовані мета та задачі досліджень, ідея роботи, наукові положення, висновки та рекомендації по роботі, постановка задач для моделювання, розроблена методика досліджень. У співавторстві проведені лабораторні і шахтні експерименти, виконана обробка та аналіз отриманих даних, розроблена нормативно-технічна документація, виконана перевірка роботи комбінованої охоронної системи зростаючого опору. Зміст дисертації викладено автором самостійно.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідались автором в 2006 -2009 р. на науково-технічних нарадах на шахті «Красноармійська-Західна № 1», в 2007-2009 р. на наукових семінарах Інституту фізики гірничих процесів НАН України, на міжнародних конференціях, організованих Національним гірничим університетом: «Форум гірників - 2008» (м. Дніпропетровськ), «Школа підземної розробки 2008 р.» (м. Ялта) та «Школа підземної розробки 2009 р.» (м. Ялта), на 57-ій регіональній конференції «Перспективи розвитку Східного Донбасу» в м. Новочеркаську.

Публікації. Основний зміст роботи автором викладено в 18 друкованих працях, з яких - 2 монографії, 4 публікації в фахових виданнях, 3 нормативно-методичні документи, 2 патенти України, 4 доповіді на наукових конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 5-и розділів, висновків, списку використаних джерел, що нараховує 154 найменування, 7 додатків, містить 141 сторінку друкованого тексту, в тому числі 103 рисунки та 39 таблиць. Загальний обсяг 199 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ роботи присвячено аналізу способів та засобів підтримання виїмкових штреків.

Як провідні організації України по проблемі підтримання підготовчих виробок названо Дніпропетровський національний гірничий університет, Донецький національний технічний університет, Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України, Інститут фізики гірничих процесів НАН України, Український державний науково-дослідний і конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України, Донецький вугільний інститут. Значна роль в вирішенні вказаної проблеми належить зарубіжним організаціям: Державному науково-дослідному інституту гірничої геомеханіки та маркшейдерської справи (Росія), Інституту гірничої справи СВ РАН (Росія), Інституту гірничої справи ім. О.О. Скочинського (Росія), Кузбаському науково-дослідному вугільному інституту (Росія), Краківській гірничо-металургійній академії (Польща), фірмам DMT (Німеччина) та RMT (Великобританія).

Вагомий внесок в теорію і практику створення охоронних систем для підтримання підготовчих виробок внесли Ардашев К.А., Бажин М.П., Баклашов І.В., Бондаренко В.І., Булат А.Ф., Виноградов В.В., Заславський Ю.З., Зборщик М.П., Ільяшов М.О., Кириченко В.Я., Кузнєцов Г.Н., Лангош У., Литвинський Г.Г., Майхерчик Т., Овчинников В.Ф., Сімш К., Скіпочка С. І., Усаченко Б.М., Фармер Я., Шашенко О.М., Штефан К.В., Якобі О.

Аналіз вітчизняного та зарубіжного досвіду свідчить про загальносвітову тенденцію погіршення умов вуглевидобутку як в плані проявів гірського тиску так і по газовому фактору, що обумовлює необхідність переходу до прямоточного провітрювання очисних вибоїв. Актуальною в цих умовах є проблема підтримання виїмкових виробок, що проявляється в наступних аспектах:

нерівномірний розподіл навантажень на окремі елементи кріплення;

передчасне вичерпання в умовах наростаючого навантаження несучої здатності кріплення при високій швидкості посування очисного вибою;

невідповідність конструкції кріплення асиметричному навантаженню на охоронну конструкцію в зоні сполучення «штрек - лава» та після проходу лави.

Визначено мету дисертаційної роботи: обґрунтувати параметри комбінованої охоронної системи зростаючого опору, яка повинна забезпечити підтримання виїмкових штреків в складних гірничо-геологічних умовах.

В результаті аналізу вітчизняного та зарубіжного досвіду встановлено, що на великих глибинах традиційне рамне кріплення є неефективним. Накопичено позитивний досвід підтримання підготовчих виробок в задовільному стані з використанням комбінованих охоронних систем для певного кола гірничо-геологічних умов. Встановлено, що доцільним є послідовне зведення окремих ланок кріплення для отримання зростаючого опору комбінованої охоронної системи. При цьому, незалежно від схеми кріплення, його етапи повинні випереджати очікуване розшарування покрівлі виїмкових штреків.

В другому розділі на прикладі типової для Донбасу шахти «Красноармійська-Західна № 1» гірничо-геомеханічні умови вуглевидобутку визначено як складні, що викликано наявністю інтенсивних тектонічних порушень, викидонебезпечністю вугілля і пісковику, інтенсифікацією проявів гірського тиску, стимульованою значним зростанням навантаження на очисний вибій. У вказаних умовах здійснюється перехід до прямоточної схеми провітрювання очисних виробок, яка передбачає повторне використання виїмкових штреків. Аналіз досвіду їх підтримання з застосуванням рамного кріплення, системи одиночних анкерів та однорядної литої смуги показав ефективність даної охоронної системи для виробок з легкообвалюваною основною покрівлею. При середньо- та важкообвалюваній основній покрівлі відмічено значну асиметрію навантаження на рами, суттєве зменшення поперечного перерізу виробки та значне здимання підошви після проходу лави.

Для обґрунтування параметрів комбінованої охоронної системи зростаючого опору визначено розширений комплекс показників фізико-механічних властивостей геоматеріалів, що відрізняється від попередніх досліджень визначенням параметрів порід за межею міцності, а також отриманням їх електромагнітних характеристик. Аналогічні показники отримано і для затверділих сумішей, що застосовуються при зведенні литих смуг. Експериментально встановлено нову, невідому раніше, закономірність (перше наукове положення): при твердненні матеріалу литої смуги напруження початку тріщиноутворення пов'язане з часом тверднення логарифмічною залежністю. Для матеріалу типу «БІ-кріплення» вказана залежність (дані отримано по 48 зразках) є коректною в межах від 2 до 35 діб і має вигляд: виробка вугільний охоронний штрек

у_тр. = 5,9 ln t- 0,23,

де у_тр. - напруження початку тріщиноутворення, виражене в МПа,

t - час тверднення матеріалу, виражений в кількості діб.

Перше наукове положення є основою для обґрунтування способу визначення величини стискаючого напруження в матеріалі литої смуги за результатами шахтних спостережень.

Результати лабораторних досліджень властивостей порід і матеріалів використано для моделювання взаємодії охоронних конструкцій з масивом, та для обґрунтування параметрів елементів комбінованої охоронної системи.

В третьому розділі викладено результати натурних досліджень на 5 ділянках шахти «Красноармійська-Західна № 1» стосовно роботи елементів комбінованої охоронної системи: рамного кріплення і литої смуги. Використано комплексну методику, що включала візуальні спостереження, інструментальні вимірювання деформацій виробки, віброакустичну діагностику, реєстрацію природного електромагнітного випромінювання породного масиву. Встановлено закономірності зміни навантаження на рамне кріплення в залежності від відстані до лави, що сформульовані як друге наукове положення: нерівномірність розподілу навантажень на рамне кріплення при підході лави проявляється в переважаючому зростанні тиску на верхняк за 30 - 60 м до неї, інтенсифікації бокових стискаючих зусиль симетричного характеру за 30 - 5 м до лави та переході до асиметричного навантаження на раму за рахунок збільшення тиску в основному з боку лави, починаючи з відстані 5 м до неї.

На базі другого наукового положення обґрунтовано основні етапи зростання опору комбінованої охоронної системи до підходу лави (табл. 1).

Таблиця 1 -

Етапи послідовного зростання опору охоронної системи до підходу лави

Зона	Відстань до лави, м	Стан системи «масив - рамне кріплення»	Необхідні заходи
I	понад 60	помірно навантажений верхняк, слабо навантажені стояки	попереджуюче зміцнення покрівлі виробки
II	60 - 30	розшарування покрівлі зі зростанням навантаження на верхняк	додаткове підхоплення верхняка
III	30 - 5	інтенсивне зростання навантажень на раму по всьому контуру	укріплення бровки
IV	5 - 0	перехід масиву в покрівлі до блокової структури, максимальне навантаження на раму	застосування тимчасового кріплення

З використанням першого наукового положення експериментально визначено залежність діючого в матеріалі литої смуги вертикального стискаючого напруження по мірі збільшення відстані до сполучення «штрек - лава». Вказана залежність в діапазоні 5 - 100 м за лавою має вигляд

у = 6,6 ln L - 11,5 ,

де у - механічне напруження, виражене в МПа;

L - відстань до сполучення «штрек-лава», виражена в м.

Виконані шахтні дослідження з оцінки ефективності роботи литої смуги показали значний вплив на стан підтримуваної за лавою виробки категорії основної покрівлі за ступенем її здатності до обвалення (див. табл. 2).

Таблиця 2 -

Ефективність роботи однорядної литої смуги для різних категорій основної покрівлі

Категорія основної покрівлі	Відношення фактичного перерізу виробки до проектного (30 м за лавою)	Стан рамного кріплення
леккообвалювана	> 0,75	рама майже симетрична, деформується верхняк
середньообвалювана	0,55 - 0,75	асиметрична деформація рами в бік відпрацьованого простору
важкообвалювана	<0,55	значний нахил рами в бік відпрацьованого простору, розрив замків, руйнування затяжки

Зроблено висновок, що однорядна лита смуга ефективна лише у випадку легкообвалюваної покрівлі. Обґрунтовано необхідність створення різних варіантів конструкцій литої смуги у відповідності з категорією основної покрівлі.

В четвертому розділі наведено результати моделювання взаємодії комбінованої охоронної системи в складі рамного кріплення, анкерного стяжного кріплення та литої смуги з масивом порід.

Для моделювання методом еквівалентних матеріалів деформаційних процесів в системі «кріплення - масив» було створено три варіанти моделей, що відрізняються конструкцією литої смуги. В першому (базовому) варіанті вона однорядна, в другому - підсилена з боку відпрацьованого простору подвійним рядом органного кріплення, в третьому - асиметрична дворядна, з рядами різної жорсткості. Достовірність моделювання забезпечувалась виконанням критеріїв подібності по відношенню до натурного об'єкта, а також випробуванням в однакових умовах трьох рівноцінних екземплярів для кожного варіанту. Навантаження моделі відбувалось на жорсткій випробувальній установці в режимі рівномірно зростаючої вертикальної деформації.

Встановлено, що для першого варіанту зменшення висоти виробки та площі поперечного перерізу майже лінійно залежить від прикладеного навантаження. Для другого і третього варіантів моделей існує величина навантаження (поворотна точка), до досягнення якої деформації моделі значно менші в порівнянні з базовим варіантом, а потім вони помітно зростають. Зовнішній вигляд центральної частини моделі після проведення руйнуючих випробувань з нанесенням початкової форми здеформованої виробки наведено на рис. 1.

Характеристики варіантів здеформованої виробки наведено в табл. 3.

Таблиця 3 -

Характеристики здеформованої виробки для різних варіантів моделі

Номер моделі	Зменшення висоти в %	Зменшення площі в %
	при 40 кН (поворотна точка)	при 120 кН	при 40 кН (поворотна точка)	при 120 кН
1	12	34	14	33
2	3	32	3	29
3	3	25	3	22

З використанням методу скінчених елементів було виконано комп'ютерне моделювання взаємодії згаданих вище варіантів охоронної системи з оточуючим масивом. Розмір моделі по горизонталі складає 45 м, а по вертикалі - 26 м. Виробка площею 15,5 м² розміщена в центральній частині моделі. Підошва та безпосередня покрівля складені алевролітом, а основна покрівля - пісковиком. В моделі відображено стан, коли відбулось обвалення безпосередньої покрівлі у відпрацьований простір, а основна покрівля ще зберегла свою цілісність. Для всіх її варіантів було отримано розподіл горизонтальних, вертикальних та дотичних навантажень. Для прикладу на рис. 2 наведено розподіл горизонтальних напружень в моделі з градаціями згідно табл. 4.

Таблиця 4 -

Діапазони градацій напруження та їх умовні позначення

Номер градації	Діапазон напружень, МПа	Умовне графічне позначення
1	-12 - 0
2	0 - 12
3	12 - 24
4	24 - 36
5	38 - 48

Натурними дослідженнями встановлено, що нарощування опору охоронної системи, яке відбувається шляхом зростання жорсткості литої смуги, більшим ніж у порід підошви та покрівлі виробки, спричиняє концентрацію напружень з боку відпрацьованого простору та інтенсивне здимання підошви. Напрямок попередження вказаного негативного ефекту дає третє наукове положення, встановлене на базі результатів моделювання:

комплексна взаємодія комбінованої охоронної системи в складі рамного і анкерного стяжного кріплення та литої смуги з масивом після проходу лави викликає утворення з боку відпрацьованого простору зони знижених напружень, розміри якої зростають при зменшенні жорсткості литої смуги, що забезпечується використанням в її структурі внутрішніх розвантажувальних елементів.

В п'ятому розділі обґрунтовано параметри комбінованої охоронної системи зростаючого опору і наведено результати перевірки її ефективності.

Запропоновано послідовність формування комбінованої охоронної системи зростаючого опору у відповідності з табл. 5.

Таблиця 5 -

Поетапне зростання опору комбінованої охоронної системи

Етап кріплення	Вид встановлюваного кріплення	Зона дії конструкції в горизонтальній площині	Сумарний погонний опір Rп, МН/м
1	рамне	ширина виробки	0,1
2	анкерне стяжне	виробка з приконтурною зоною до 0,5 м	0,2
3	індивідуальне анкерне	виробка з приконтурною зоною до 1,7 м	0,4
4	тимчасове (гідростояки)	виробка з приконтурною зоною до 1,7 м і відпрацьований простір до 3,5 м	0,5
5	лита смуга, дерев'яні стояки (30 м за лавою)	виробка з приконтурною зоною до 1,7 м і відпрацьований простір до 3,5 м	6 - 10

Базовим елементом для всіх варіантів є рамне кріплення. Подано рекомендації щодо його вибору з врахуванням нових розробок. Після другого етапу охоронна система включає рами та розташовані між ними ланки анкерного стяжного кріплення (АСК). На третьому етапі систему доповнюють анкерами для підхоплення верхняка рами та кріплення бровки. Четвертий етап - кріплення сполучення «штрек - лава» тимчасовими гідростояками. На п'ятому етапі зводять литу смугу, критична жорсткість W_кр. якої визначається наступним чином

W_кр. = 1 - е_h,

де е_h - відносна деформація литої смуги з початковою висотою h.

Критерії для вибору типу і параметрів литої смуги наведено в табл. 7.

Таблиця 7 -

Основні критерії для вибору конструкції та параметрів литої смуги

Категорія основної покрівлі	Критична жорсткість Wкр	Допустиме погонне навантаження Fп., МН/м	Конструкція литої смуги
	h < 1,5 м	h > 1,5 м
легкообвалювана	0,75-0,80	0,80-0,85	до 25	однорядна
середньообвалювана	0,80-0,85	0,85-0,90	25 - 35	підсилена однорядна
важкообвалювана	0,85-0,90	0,90-0,95	35 - 45	дворядна

Для визначення категорій основної покрівлі розроблено «Методичні вказівки з прогнозування первинного обвалення основної покрівлі в лавах положистих пластів Донбасу».

В типових для Донбасу умовах, на шахті «Красноармійська-Західна № 1» перевірено ефективність комбінованої охоронної системи зростаючого опору. Методична новизна досліджень відображена в «Методичних рекомендаціях по геофізичному контролю та діагностиці геомеханічного стану підземних геотехнічних систем вугільних шахт». Результати досліджень показали в порівнянні з базовим варіантом: зменшення асиметрії навантажень на рами; зменшення розшарування покрівлі при підході до лави майже в 3 рази; збільшення залишкового поперечного перерізу штреку за лавою на 14 %. Економічний ефект від впровадження нової охоронної системи, що отриманий в результаті зниження затрат на підтримання виробки, склав 326 тис. грн. З врахуванням результатів досліджень розроблено та затверджено в Міністерстві вугільної промисловості України «Технологічний регламент підтримки виїмкових штреків повторного використання з допомогою комбінованих охоронних систем».

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій вирішено актуальну наукову-практичну задачу по обґрунтуванню параметрів комбінованої охоронної системи зростаючого опору для підтримання виїмкових штреків.

Основні наукові та практичні результати роботи полягають в наступному.

1. Аналіз вітчизняного і зарубіжного досвіду охорони виїмкових штреків в складних гірничо-геологічних умовах показав принципову необхідність використання комбінованих охоронних систем зростаючого опору.

2. Шляхом лабораторних досліджень отримано розширений комплекс характеристик гірських порід та штучних матеріалів, які стали основою для моделювання системи «кріплення - породний масив» та обґрунтування параметрів елементів комбінованої охоронної системи.

3. В процесі виконання лабораторних експериментів встановлено нову, невідому раніше, логарифмічну залежність напруження початку тріщиноутворення під навантаженням від часу тверднення штучного будівельного матеріалу, яка покладена в основу способу визначення напружень в литій смузі.

4. В шахтних умовах експериментальним шляхом суттєво уточнено параметри поетапного збільшення навантаження на рамне кріплення при переміщенні фронту очисних робіт, що враховано при обґрунтуванні послідовності виконання заходів, які забезпечують зростання опору комбінованої охоронної системи для підтримання виїмкових штреків.

5. На основі результатів моделювання виявлено ефект зниження діючих напружень в приконтурній зоні виробки після проходу лави з боку відпрацьованого простору при використанні складноструктурних литих смуг з внутрішніми розвантажувальними елементами, які дозволяють знизити жорсткість конструкції при збереженні її високої несучої здатності.

6. Рекомендовано конструкції основних елементів комбінованої охоронної системи зростаючого опору з обґрунтуванням вибору їх параметрів в залежності від гірничо-геологічних умов, зокрема від здатності основної покрівлі до обвалення.

7. Розроблено технологію поелементного синтезу комбінованої охоронної системи зростаючого опору у відповідності з етапами зміни напружено-деформованого стану в системі «кріплення - масив».

8. Виконано з позитивним результатом перевірку ефективності роботи комбінованої охоронної системи зростаючого опору.

9. Розроблено з участю автора, затверджено та передано у користування проектним і науково-дослідним організаціям наступні нормативні документи:

«Методичні вказівки з прогнозування первинного обвалення основної покрівлі в лавах положистих пластів Донбасу»;

«Технологічний регламент підтримання виїмкових штреків повторного використання з допомогою комбінованих охоронних систем»;

«Методичні рекомендації по геофізичному контролю та діагностиці геомеханічного стану підземних геотехнічних систем вугільних шахт».

10. Фактичний економічний ефект від впровадження розробок автора за рахунок зниження витрат на підтримання виробок склав 326 тис. грн.

список опублікованих робіт здобувача за темою дисертації

1. Ильяшов М.А. Влияние крепи на уменьшение проявлений горного давления в очистных выработках / М.А. Ильяшов, М.П. Зборщик, О.Д. Кожушок // Геомеханика подземной разработки угольных пластов. Т. 2. - Донецк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2007. - С. 177-189.

2. Бондаренко В.И. Организация и планирование очистных и подготовительных работ: Учебное пособие для вузов / В.И. Бондаренко, М.А. Ильяшов, Н.К. Руденко, С.В. Салли, О.Д. Кожушок. - Днепропетровск: НГУ, 2009. - 327 с.

3. Алексеев А.Д. Методические указания по прогнозированию первичной посадки основной кровли в лавах пологих пластов Донбасса / А.Д. Алексеев, Б.А.Грядущий, М.А. Ильяшов, Е.И Питаленко, М.И. Лобков, Е.Н. Халимендиков, О.Д. Кожушок, А.И. Сергиенко. - Донецк: ИФГП НАН Украины, 2008. - 15 с.

4. Булат А. Методические рекомендации по геофизическому контролю и диагностике геомеханического состояния подземных геотехнических систем угольных шахт / А. Булат, Б. Усаченко, С. Скипочка, Т. Паламарчук, А. Яланский, В. Сергиенко, М. Ильяшов, А. Агафонов, О. Кожушок, А. Яйцов, Ю. Шевчук, Б. Деглин, В. Левит, С. Борщевский, Е. Халимендиков, В. Соколовский, В. Усаченко, В Кириченко.- Днепропетровск-Донецк: «ВИК», 2009. - 80 с.

5. Булат А.Ф. Технологический регламент поддержания повторно используемых выемочных штреков комбинированными охранными системами / А.Ф. Булат, Б.М. Усаченко, В.Н.Сергиенко, В.Н. Трипольский, В.А. Амелин, С.П. Мусиенко, Л.В. Прохорец, В.И. Соколовский, М.А. Ильяшов, С.В. Кужель, О.Д. Кожушок, А.В. Агафонов, В.В. Радченко, А.А. Яйцов, Ю.Н. Шевчук, В.А. Болбат, Л.В. Байсаров, Е.Н. Халимендиков, С.Е. Онопченко, В.Б. Усаченко, М.М. Козерема, Р.Б. Лесовицкая, В.Я. Кириченко, В.В. Гладнев, А.О. Филиппов, А.В. Кириченко. - Днепропетровск-Донецк: «ВИК», 2009. - 36 с.

6. Кожушок О.Д. Комплексные исследования деформационно-прочностных свойств твердеющих материалов для литых полос / О.Д. Кожушок, В.Н. Сергиенко, Л.В. Прохорец // Геотехническая механика: Межвед. сб. научн. тр. / ИГТМ НАН Украины. - Днепропетровск, 2006. - Вып. 66. - С. 96-102.

7. Кожушок О.Д. О применении метода акустической эмиссии для исследования устойчивости сопряжений выработок / О.Д. Кожушок, Б.М. Деглин // Геотехническая механика: Межвед. сб. научн. тр. / ИГТМ НАН Украины. - Днепропетровск, 2007. - Вып. 73. - С. 70-76.

8. Кожушок О.Д. Напряженно-деформированное состояние в приконтурной зоне подготовительной выработки при возведении двойной литой полосы / О.Д. Кожушок // Геотехническая механика: Межвед. сб. научн. тр. / ИГТМ НАН Украины. - Днепропетровск, 2008. - Вып. 78. - С. 11-18.

9. Булат А.Ф. Рекомендации по применению «Технологического регламента по поддержанию повторно используемых выемочных штреков комбинированными охранными системами» / А.Ф. Булат, Б.М. Усаченко, М.А. Ильяшов, О.Д. Кожушок, А.В. Агафонов, В.Н. Сергиенко. // Наукові праці Донецького національного технічного університету. - Донецьк: ДонНТУ. - 2009. - С. 49-58.

10. Патент 83986 України, МПК⁷ E21F 5/00. Спосіб прогнозування зон нестійкого стану вмісних порід безпосередньої покрівлі вугільного пласта / В.І. Пілюгин, М.П. Зборщик, М.О. Ільяшов, О.В. Агафонов, О.Д. Кожушок, О.Є. Кочин, І.О. Мірошниченко (Україна); заявник і власник ЗАТ «Донецьксталь - металургійний завод». - № u200801981; заявл. 18.02.08; опубл. 26.08.08; Бюл. № 16. - 6 с.

11. Патент 41321 України на корисну модель, МПК⁷ E21D 20/00. Пристрій для вимірювання деформації анкерного кріплення / О.Д. Кожушок, О.О. Яйцов, М.О. Ільяшов, Ю.М. Шевчук, В.В. Назимко (Україна); заявник і власник ТОВ «Група «Енерго». - № u200900561; заявл. 26.01.09; опубл. 12.05.09; Бюл. № 9. - 4 с.

12. Борщевский С.В. К вопросу о геомеханических принципах и совершенствовании технологии комплексного поддержания повторно используемых выемочных штреков / С.В. Борщевский, О.Д. Кожушок // Перспективы развития Восточного Донбасса: сб. науч. тр. по мат. 57-ой региональной научно-практической конференции. Ч. 1. - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2008. - С. 390-397.

13. Ильяшов М.А. Физическое моделирование работы двойной литой полосы / М.А. Ильяшов, О.Д. Кожушок // Школа підземної розробки: матеріали міжнародної науково-практичної конференції. - Дніпропетровськ: НГУ. - 2008. - С. 18-23.

14. Кожушок О.Д. К вопросу о геомеханическом обосновании применения анкерной стяжной крепи в выемочных штреках / О.Д. Кожушок, В.Б. Усаченко // Матеріали міжнародної конференції «Форум гірників-2008». - Дніпропетровськ: НГУ. - 2008. - С. 73-78.

15. Кожушок О.Д. Математическое моделирование работы комбинированной охранной системы при поддержании выемочного штрека за лавой / О.Д. Кожушок, М.А. Ильяшов // Школа підземної розробки: матеріали міжнародної науково-практичної конференції. - Дніпропетровськ: НГУ. - 2009. - С. 185 - 193.

16. Кожушок О.Д. Методика оценки надежности анкерной крепи / О.Д. Кожушок, В.В. Назимко // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. - Донецьк, 2008. - № 2. - С. 60-67.

17. Яйцов А.А. Результаты оценки условий поддержания подготовительных выработок в условиях шахты «Красноармейская-Западная № 1» / А.А. Яйцов, О.Д. Кожушок, В.А. Болбат, Н.А. Бугаева // Проблеми гірського тиску: зб. наук. праць ДонНТУ. - Донецьк, 2007. - Вип.. 15. - С. 19-32.

18. Кожушок О.Д. Совершенствование комбинированных охранных конструкций для поддержания повторно используемых выемочных штреков / О.Д. Кожушок, С.В. Борщевский // Вісті Донецького гірничого інституту. - Донецьк: ДНВЗ «ДонНТУ», 2008. - С. 192-198.

Особистий внесок здобувача у роботах, написаних у співавторстві: в роботах [1, 2, 7, 17] - аналіз шахтних спостережень, в роботі [3] - розрахунок несучого шару покрівлі; в роботах [4, 7] - опис методики натурних вимірювань, в роботах [5, 9, 12, 15, 18] - опис конструкції та обґрунтування параметрів структурно неоднорідних литих смуг, в роботах [6, 13] - аналіз результатів лабораторних досліджень, в роботі [10] - введення визначення показників міцності порід в склад способу прогнозування стану порід покрівлі, в роботах [11, 16] - ідея контролю анкерного кріплення по пластичній деформації шайб, в роботі [14] - обґрунтування параметрів АСК для конкретних умов експлуатації.

АНОТАЦІЯ

Кожушок О.Д. Обгрунтування параметрів комбінованої охоронної системи зростаючого опору для підтримання виїмкових штреків. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.02 - «Підземна розробка родовищ корисних копалин». - Інститут фізики гірничих процесів Національної академії наук України, Донецьк, 2009.

В роботі представлено рішення актуальної науково-практичної задачі по обґрунтуванню параметрів комбінованої охоронної системи зростаючого опору для підтримання виїмкових штреків повторного використання в складних гірничо-геологічних умовах.

Встановлено комплекс характеристик порід та штучних матеріалів, що визначають їх поведінку на всіх етапах зміни напружено-деформованого стану та враховуються при виборі параметрів охоронних конструкцій.

Основними елементами комбінованої охоронної системи є рамне кріплення, анкерне стяжне кріплення, індивідуальні анкери та лита смуга. Експериментально встановлено закономірності зміни навантаження на раму в залежності від відстані до лави, які використані для обґрунтування послідовності етапів нарощування опору охоронної системи.

На основі узагальнення результатів шахтних спостережень, а також математичного та фізичного моделювання обґрунтовано параметри і склад, а також запропоновано варіанти комбінованої охоронної системи, при цьому конструкція литої смуги визначається з врахуванням категорії основної покрівлі по її здатності до обвалення.

Виконано з позитивним результатом дослідно-промислову перевірку варіанту комбінованої охоронної системи зростаючого опору.

Результати виконаної роботи відображено в трьох галузевих нормативно-методичних документах.

Ключові слова: виїмковий штрек, покрівля виробки, комбінована охоронна система, напруження, деформації.

Кожушок О.Д. Обоснование параметров комбинированной охранной системы нарастающего сопротивления для поддержания выемочных штреков. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.02 - «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых». - Институт физики горных процессов Национальной академии наук Украины, Донецк, 2009.

В диссертационной работе представлены результаты решения актуальной научно-практической задачи по обоснованию параметров комбинированной охранной системы нарастающего сопротивления для поддержания выемочных штреков в сложных горно-геологических условиях. Основная идея работы состоит в учете особенностей комплексного взаимодействия отдельных элементов комбинированной охранной системы нарастающего сопротивления друг с другом и всей системы с породным массивом для обоснования состава и параметров системы в соответствии с категорией условий ее работы.

Увеличение нагрузки на очистной забой требует внедрения новых схем проветривания. Переход к прямоточной системе проветривания обуславливает необходимость разработки эффективных средств охраны выемочных штреков после прохода лавы с целью их повторного использования. Натурные исследования показали ограниченность возможностей использования существующих средств и способов поддержания указанной категории выработок в условиях больших глубин. Установлено снижение эффективности известных комбинированных охранных систем при средне- и труднообрушаемой основной кровле.

В работе рассмотрена комбинированная охранная система нарастающего сопротивления в составе рамной крепи, являющейся базовым элементом, анкерной стяжной крепи, индивидуальных анкеров и литой полосы.. Экспериментально установлены основные этапы взаимодействия рам с породным массивом при перемещении фронта очистных работ, которые учитываются при обосновании последовательности наращивания сопротивления комбинированной охранной системы. Выявлено, что неравномерность распределения нагрузок на рамную крепь при подходе лавы проявляется в преобладающем возрастании давления на верхняк за 30-60 м от нее, интенсификации боковых сжимающих усилий симметричного характера за 30- 50 м до лавы и переходе к асимметричной нагрузке за счет преобладающего возрастания давления со стороны лавы, начиная с расстояния 5 м до нее.

Рекомендованы схемы установки индивидуальных анкеров, улучшающих условия работы рамной крепи при приближении лавы.

Предложен новый элемент в составе комбинированной охранной системы - анкерная стяжная крепь, возведение которой должно упреждать начало интенсивных деформаций в кровле выработки при приближении лавы. Ее использование имеет преимущества перед системой одиночных анкеров в условиях блочно-структурированной кровли.

Заключительным элементом при формировании охранной системы является литая полоса. Иследования показали, что использование в составе комбинированной охранной конструкции нарастающего сопротивления структурно-неоднородной литой полосы, включающей внутренние разгрузочные элементы, приводит к возрастанию размеров расположенных со стороны выработанного пространства зон сниженных напряжений. Указанный эффект обеспечивает увеличение остаточной площади поперечного сечения выработки за лавой на 14 % по сравнению с однорядной литой полосой.

На основе выявленной закономерности трещинообразования под нагрузкой в процессе твердения материала литой полосы обоснован способ определения вертикальных сжимающих напряжений в литой полосе в натурных условиях. С использованием указанного способа установлено, что в пределах влияния сопряжения «штрек - лава» вертикальное напряжение в литой полосе возрастает по логарифмической зависимости.

Обобщение полученных в процессе выполнения работы результатов нашло свое отражение в трех отраслевых нормативно-методических документах.

Ключевые слова: выемочный штрек, кровля выработки, комбинированная охранная система, напряжения, деформации.

Kozhushok O. D. Justification of the parameters of combined protecting system with progressive resistance for working drift support. - Manuscript.

Thesis for a Candidate's degree in Technical sciences. Speciality 05.15.02 - “Underground mining of mineral deposits” - Institute of physics of mining processes of The National Academy of Sciences of Ukraine - Donetsk, 2009.

The research presents a solution of an urgent theoretical and practical problem aimed at the justification of the parameters of combined protecting system with progressive resistance for the support of working drifts of repeated usage under difficult mining and geological conditions.

The set of rock and artificial materials features which determine their behavior at all stages of mode of deformation and are considered in the process of protecting system parameter selection has been found out.

Frame support, anchor tightening support, individual anchors and casting stripe are the main elements of combined protecting system. The regularities of changes in frame loading subject to lava distance have been determined. The results have been used for the motivation of the stages of protecting system resistance upgrading.

The integrated results of mining observations and mathematical and physical simulation of the parameters and composition of protecting system as well as its variants have been justified and proposed with the construction of casting stripe being determined considering main roof category by its failure susceptibility.

The pilot check of combined protecting system with growing resistance has brought positive results.

The results of the work executed are presented in three branch normative-methodical documents.

Key words: working drift, mine roof, combined protecting system, tensions, deformations.

Размещено на Allbest.ru

...