Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

АВТОРЕФЕРАТ

з теми: «Геомеханічне обґрунтування параметрів способу керування напруженим станом порід навколо виробок камерного типу»

Спеціальність 05.15.09 - “Механіка ґрунтів та гірських порід”

Гавриш Артем Костянтинович

Дніпропетровськ - 2004

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано на кафедрі будівельних геотехнологій і геомеханіки Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Роєнко Анатолій Миколайович,

професор кафедри будівельних геотехнологій і геомеханіки Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Усаченко Борис Миронович,

завідувач відділу механіки гірських порід Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України (м. Дніпропетровськ)

доктор технічних наук, доцент

Сдвижкова Олена Олександрівна,

професор кафедри вищої математики Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Провідна установа: Донецький Національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра будівництва шахт і підземних споруд

Захист дисертації відбудеться 1 липня 2004 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19).

Автореферат розіслано 1 червня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент О.В. Солодянкін

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розвиток людства в теперішній час досягнув такого рівня, що його нормальне існування потребує використання підземного простору. Завдяки деяким властивостям, які має породний масив, розміщення багатьох об'єктів у підземному просторі стає економічно більш вигідним, чим на поверхні.

Розташування в підземному просторі різних об'єктів, не пов'язаних з видобутком корисної копалини, є перспективним напрямком розвитку України. Незважаючи на те, що Україна відстає за обсягом підземного будівництва від західних країн, у неї накопичений значний індустріальний потенціал у цій області. До того ж, розвиткові підземного будівництва в даний час сприяє економічна і правова ситуація, що склалася в нашій країні.

Серед способів утворення порожнин у земній корі, придатних для використання, найбільше поширення в даний час має цілеспрямоване їхнє формування, а також пристосування порожнин, що мають техногенний генезис. Максимальний ефект набувається при поєднанні процесу формування виробок під майбутні об'єкти із супутнім видобутком корисних копалин, що є характерним при підземному видобутку пиляних вапняків у Криму.

У зв'язку з переходом на підземний видобуток пиляних вапняків Криму виникла низка проблем, серед яких однією з найважливіших задач є обґрунтування параметрів системи розробки, що забезпечують, з одного боку, мінімальні втрати корисної копалини в надрах, з іншого боку - безпечне й ефективне ведення робіт, а також гарантовану стійкість виробленого простору протягом тривалого періоду часу. В даний час при підземному видобутку пиляних вапняків Криму застосовується камерна система розробки з параметрами, що, як правило, приводять до невиправданих втрат корисної копалини, а іноді, навпаки, до втрати стійкості основних несучих елементів - міжкамерних ціликів і стелин. До того ж використовуються не всі доступні способи підвищення їх стійкості.

Практичний досвід показує, що одним з найбільш ефективних способів керування напружено-деформованим станом породного масиву є використання компенсаційних порожнин. Застосування останніх сприяє зниженню небезпечних концентрацій напружень у породному масиві, викликаних створенням виробленого простору, і, отже, підвищенню його стійкості. Питання обґрунтування параметрів компенсаційних порожнин стосовно до умов підземної розробки пиляних вапняків Криму дотепер не було вивчене достатньою мірою. У зв'язку з цим, дослідження закономірностей перерозподілу напружень і деформацій у приконтурному породному масиві при наявності компенсаційних порожнин і розробка методики обґрунтування їх параметрів є актуальною задачею, що має важливе наукове й практичне значення, рішенню якої і присвячена дисертація.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконані згідно тематичного плану науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України відповідно до пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки “Новітні технології і ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості й агропромисловому комплексі” по держбюджетних темах ГП 321 (№ держреєстрації 0103U001292) і ГП 338 (№ держреєстрації 0104U000780) у Національному гірничому університеті.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є обґрунтування параметрів способу підвищення стійкості підземних виробок шляхом створення компенсаційних порожнин у приконтурному масиві. Для досягнення цієї мети поставлені наступні задачі:

- проаналізувати й узагальнити літературні джерела щодо способів забезпечення стійкості підземних виробок;

- удосконалити розрахунковий алгоритм і розробити обчислювальний засіб, що реалізує методи чисельного аналізу стану приконтурного масиву, з урахуванням специфіки задачі;

- вивчити закономірності розподілу напружень у масиві, що вміщує одиночну виробку й систему камер різних форм поперечного перерізу;

- установити закономірності зміни напружено-деформованого стану породного масиву при створенні компенсаційних порожнин на контурі виробок;

- визначити раціональні параметри компенсаційних порожнин у конкретних гірничо-геологічних умовах.

Об'єктом досліджень є стійкість основних несучих елементів камерної системи розробки пиляних вапняків Криму - міжкамерних ціликів і стелин.

Предметом досліджень є параметри компенсаційних порожнин, створених у приконтурному масиві.

Методи досліджень. Поставлена в дисертації ціль досягнута шляхом застосування комплексного підходу, що включає аналіз і узагальнення літературних даних за темою дисертації, аналітичні дослідження, проведені з метою удосконалення розрахункового алгоритму методу чисельного аналізу, чисельне моделювання із застосуванням методу граничних елементів для визначення параметрів компенсаційних порожнин, проведення промислових випробувань.

Наукові положення, що захищаються в дисертації:

- підвищення стійкості підземних споруд досягається шляхом утворення компенсаційних порожнин у вигляді щілинних пропилів із внутрішнім тиском, розташованих у зонах максимальних концентрацій еквівалентних напружень, що дозволяє знизити небезпечні концентрації напружень у приконтурному породному масиві;

- довжина компенсаційних порожнин прямо пропорційна величині , а величина внутрішнього тиску в пропилах нелінійно залежить від вертикальної складового природного поля напружень, коефіцієнта Пуассона і величини, що дорівнює відношенню межі міцності порід на розтягання до межі міцності на стиск, що дозволяє визначати раціональні параметри компенсаційних порожнин для конкретних гірничо-геологічних умов.

Наукова новизна отриманих результатів:

- уперше поставлена і вирішена задача обґрунтування параметрів компенсаційних порожнин у вигляді щілинних пропилів для підвищення стійкості гірничих виробок стосовно до умов підземної розробки пиляних вапняків;

- уперше установлений вплив кількості й розходження довжин прямолінійних граничних елементів на точність розрахунків при вирішенні задач гірничої геомеханіки методами граничних елементів;

- уперше обґрунтована необхідність створення внутрішнього тиску деякої величини усередині компенсаційних порожнин;

- уперше встановлені залежності між параметрами компенсаційних порожнин у вигляді щілинних пропилів, з одного боку, і фізико-механічними властивостями порід, що вміщають, і гірничо-технічними умовами розробки, з іншого.

Наукове значення роботи полягає в установленні закономірностей перерозподілу напружень у породному масиві під дією компенсаційних порожнин, а також в удосконаленні розрахункового алгоритму рішення задач гірничої геомеханіки методами граничних елементів.

Практичне значення роботи полягає в обґрунтуванні параметрів економічно ефективного способу підвищення стійкості гірничих виробок з метою зниження втрат корисних копалин в надрах, а також подальшого використання виробок у народному господарстві на прикладі камерних систем розробки пиляних вапняків Криму.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується коректністю поставлених задач, використанням апробованих методів механіки суцільного середовища, чисельних методів, економічною ефективністю при впровадженні результатів досліджень.

Реалізація результатів роботи. Результати досліджень були реалізовані при проектуванні й будівництві овочефруктосховища “Беш-Терек” (Крим) із супутнім видобутком пиляного каменю. За рахунок зменшення ширини міжкамерних ціликів був підвищений коефіцієнт видобування вапняку на 7%. Економічний ефект склав 98 тис. грн.

Особистий внесок автора полягає у формулюванні наукової мети, задач, наукових положень, у розробці методики досліджень, в аналізі результатів теоретичних досліджень, видачі рекомендацій щодо вибору параметрів способу підвищення стійкості гірських виробок.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи повідомлені, обговорені і схвалені на засіданнях секцій “Будівельна геотехнологія” у рамках 55, 56 та 57-ї студентських науково-технічних конференцій Національного гірничого університету, на засіданні секції “Стійкість підземних виробок і геомеханіка породного масиву” у рамках наукової конференції “Проблеми і перспективи геотехнологій на початок III тисячоліття” Національного гірничого університету, на 3-й міжнародній студентській науково-технічній конференції Донецького Національного технічного університету, на засіданнях кафедри будівельних геотехнологій і конструкцій НГУ (2000-2002 рр.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 5 наукових праць, у тому числі 4 у фахових виданнях і 1 у збірнику матеріалів науково-технічної конференції.

Структура й обсяг. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних джерел з 135 найменувань і 2 додатків. Містить 149 сторінок машинописного тексту, 62 рисунка і 9 таблиць. Загальний обсяг дисертації 186 сторінок.

Основний зміст роботи

У Криму зосереджено близько 24% запасів будівельних вапняків України, а частка в загальнодержавному видобутку природних стінових матеріалів складає порядку 67%. Камені і блоки з пиляних вапняків є прекрасним будівельним матеріалом, з якого в південних районах України побудовано до 60% будинків. Завдяки своїм архітектурним властивостям, низькою тепло- і звукопровідністю пиляні вапняки застосовуються також як лицювальний матеріал. Витрати на видобуток пиляних вапняків значно менші, ніж на виробництво аналогічних стінових матеріалів.

Видобуток пиляних вапняків у Криму вівся переважно відкритим способом, однак з кінця 80-х років 20 століття було накладено заборону на створення нових технологічних відводів під кар'єри. Перехід на підземний видобуток пильних вапняків Криму став найбільш раціональним рішенням, спрямованим на збереження природних ландшафтів і екологічної рівноваги в цьому унікальному регіоні. До того ж, вироблений простір у масиві щільних, практично не тріщинуватих, вапняків на невеликій глибині являє собою прекрасне середовище для розміщення народногосподарських об'єктів різного призначення.

Під час підземного видобутку пиляних вапняків у Криму застосовується камерна система розробки, основними несучими елементами якої є міжкамерні цілики й стелина. Вирішенню питання обґрунтування раціональних параметрів цих елементів присвячені роботи Є.М. Грибенко, О.В. Усатенко, Н.П. Уланової, М.Д. Глухова, О.О. Сдвижкової й інших дослідників. Стійкості породного масиву під час підземного видобутку гіпсу присвячені роботи Б.М. Усаченко. Однак, у більшості випадків, отримані узагальнюючі залежності, що застосовуються у вузькому діапазоні гірничо-геологічних умов. До того ж, залишається неврахованим велика кількість факторів, що впливають на стійкість підземних споруд. Серед таких факторів - різка неоднорідність поля напружень у породному масиві поблизу виробки. Різні автори пропонують суперечливі способи врахування цього фактора. А способи зниження його впливу на стійкість підземних споруджень не розглядаються взагалі.

Низкою дослідників було помічено, що технологічні пропили, що залишаються каменерізним устаткуванням на контурі видобуткових камер, сприятливо впливають на стійкість породного масиву, що вміщує. Очевидно, вони відіграють роль компенсаційних порожнин, обґрунтоване застосування яких дозволить знизити концентрації напружень у приконтурній області породного масиву і підвищити стійкість основних несучих елементів камерної системи розробки.

Родовища пиляних вапняків у Криму являють собою щільні, практично не тріщинуваті товщі великої потужності, розташовані на невеликій глибині. Для аналізу напружено-деформованого стану порід у таких умовах можуть бути застосовані методи теорії пружності з відомими допущеннями. Найбільш перспективними в цьому відношенні є методи граничних елементів (МГЕ), що дозволяють визначати напруження й деформації в будь-якій точці досліджуваної області. До того ж, моделювання компенсаційних порожнин у вигляді щілинних пропилів на контурі виробок не складає особливих труднощів, тому що граничні елементи (ГЕ) в методі розривних зсувів за своїм визначенням являють собою математичну подобу фізичної тріщини.

Однак, задача ускладнюється тією обставиною, що довжина компенсаційних порожнин, що моделюються у поперечному перерізі різко відрізняється від периметру виробки. У зв'язку з цим виникла необхідність дослідження впливу кількості апроксимуючих ГЕ, а також розходження їх довжин на точність розрахунків.

Поставлена задача була успішно вирішена таким чином. Розглядалася розрахункова схема, яка являє собою круговий отвір радіусом R у невагомій нескінченній пластинці при одноосьовому розтяганні величиною p. У силу симетричності системи апроксимувалася чверть контуру отвору N прямолінійними ГЕ. Знайдені в деяких точках контуру за допомогою МГЕ нормальні і дотичні зсуви, а також тангенціальні напруження порівнювалися з відомим аналітичним рішенням.

Аналіз залежності відносної погрішності розрахунків від параметра O дозволив установити діапазон змін параметра O, у якому погрішність обчислень зростатиме менш ніж у два рази в порівнянні з варіантом O=0. Цей діапазон визначає наступний вираз:

Була встановлена залежність погрішності обчислень від повної кількості (з врахуванням “відбитих” у силу умов симетрії) ГЕ N. Аналіз цієї залежності показав, що при невеликому значенні N (менш 100) спостерігаються значні погрішності розрахунків (більш 20%). Точність розрахунків різко зростає при збільшенні значення N до 200 (погрішність при цьому не більш 10%). При подальшому збільшенні N не відбувається значного росту точності обчислень.

З іншого боку, при дослідженні напружено-деформованого стану приконтурного масиву, рішення для точок, що знаходяться на відстані, менш, ніж довжина ГЕ від його центра, виходить ненадійним. Отже, якщо досліджувана границя буде апроксимована великим числом елементів із меншою довжиною, то “польові” точки, в яких визначаються напруження й деформації, можна буде максимально наблизити до контуру виробки.

Цей напрямок через бурхливий прогрес в області обчислювальної техніки не викликає труднощів. Так, наприклад, задача з N=500 ГЕ на ЕОМ з середніми за сучасними мірками системними ресурсами вирішується не більш 30 секунд. підземний пиляний вапняк крим

Таким чином, кількість апроксимуючих ГЕ повинна визначатися, по-перше, системними ресурсами ЕОМ, а потім складністю розрахункової схеми, її симетричністю, а також необхідною точністю розрахунків. При цьому розкид довжин граничних елементів повинний знаходитися у встановлених межах і їх повна кількість N для кожного замкнутого контуру повинна бути не менш 300. При цьому буде забезпечена точність обчислень з погрішністю не більш 15%.

На момент проведення досліджень не було доступного програмного продукту, що на сучасному рівні реалізував би МГЕ, і де могла бути врахована специфіка задачі. У цьому зв'язку був створений новий обчислювальний засіб “Underground”. За основу були узяті алгоритми МГЕ, запропоновані Краучем і Старфилдом. Зазначені алгоритми були скомпоновані в одній програмі й удосконалені з урахуванням результатів проведених досліджень. Також була досягнута максимальна швидкодія, зручність користування, простота підготовки вхідної інформації, простота обробки й наочність результатів розрахунків. Дослідження впливу компенсаційних порожнин на напружено деформований стан породного масиву в околиці системи камер проводилися за допомогою програми “Underground”.

Спочатку був установлений вплив компенсаційних порожнин з різними параметрами на напружено-деформований стан породного масиву, що вміщує одиночну виробку великого поперечного перерізу. Розрахункова схема являла собою нескінченну невагому пластинку з прямокутним вирізом, стиснуту по вертикалі навантаженням величиною, по горизонталі -. Розглядалися різні варіанти розміщення компенсаційних порожнин у поперечному перерізі вироблення. Для оцінки стійкості породного масиву використовувався точечний критерій. При цьому визначена область навколо виробки розбивалася системою точок великої щільності, у кожній з яких оцінювався стан породного масиву за критерієм руйнування Парчевского-Шашенка, у наступному вигляді:

У точці з найменшим значенням коефіцієнта K стійкість масиву мінімальна. У випадку камери без компенсаційних порожнин це значення приймалося за еталонне. З ним порівнювалися значення K, отримані для камери з різними параметрами компенсаційних порожнин. Виконання умови означало, що компенсаційні порожнини з даними параметрами підвищували стійкість породного масиву, що вміщує.

Проведені дослідження дозволили стверджувати, що компенсаційні порожнини у вигляді щілинних пропилів необхідно розташовувати в зонах з максимальними концентраціями еквівалентних напружень, приурочених до місць перегину ліній контуру виробки, а усередині них необхідно створювати тиск деякої величини.

Подальші дослідження проходили з метою визначення оптимальних параметрів компенсаційних порожнин у приконтурному породному масиві, що вміщує систему камер. З метою оптимізації розрахункової схеми було виконане дослідження впливу кількості камер, що розташовані поряд, і їх висоти, що відповідає потужності родовища, на стійкість основних несучих елементів камерних систем розробки. При цьому підтвердилися результати досліджень інших авторів про те, що на напружено-деформований стан породного масиву навколо камери найбільшим чином впливають дві сусідні. Величина навантаження, що діє, із зміною висоти камер у всьому діапазоні значень, що відповідає гірничо-геологічним умовам Криму, змінюється в межах 20%.

Вплив кількості камер і їх висоти, відмінних від відповідних параметрів розрахункової схеми, пропонується враховувати шляхом упровадження в розрахункову формулу визначення величини навантаження, що діє в основних несучих елементах відповідного коефіцієнту.

Факторами, що впливають на формування напружено-деформованого стану навколо виробок і які враховувалися при складанні розрахункової схеми, були:

- геометричні розміри камер і ціликів, що визначаються співвідношенням і висотою;

- фізико-механічні властивості порід, що вміщують, обумовлені коефіцієнтом Пуассона, модулем Юнга E, межею міцності порід на одноосьовий стиск і розтягнення, а також співвідношенням цих показників;

- компоненти тензора природного поля напружень, ,.

У ході досліджень був визначений вплив кожного із зазначених факторів на параметри компенсаційних порожнин таким чином. Розглядалися дві розрахункові схеми, - одна без компенсаційних порожнин, друга - із компенсаційними порожнинами довжиною, розташованими під кутом, із внутрішнім тиском. Компенсаційні порожнини саме з такими параметрами сприяли максимальному підвищенню стійкості породного масиву навколо одиночної камери. Один із факторів змінювався в діапазоні, що відповідає умовам пиляних вапняків Криму, а інші залишалися незмінними. Оцінка стійкості масиву, що вміщає, робилася саме таким чином, як і у випадку з одиночною камерою. Аналіз залежностей мінімальних коефіцієнтів стійкості для двох розглянутих схем від досліджуваних факторів показав, що параметри компенсаційних порожнин залежать від вертикальної складової природного поля напружень, коефіцієнта Пуассона і відношення межі міцності порід на розтягання до межі міцності на стиск. Інші фактори практично не впливають на параметри компенсаційних порожнин.

Для вирішення поставленої задачі необхідно було знайти наступні параметри компенсаційних порожнин: орієнтацію в просторі (), довжину () і величину внутрішнього тиску (). Для їх визначення був застосований ітераційний підхід. У певних умовах з відповідними значеннями, і виконувалися розрахунки, в яких з певним кроком змінювався один з параметрів компенсаційних порожнин. Потім інший параметр змінювався на один крок і обчислення з першим параметром, що змінюється, повторювалися. Подібні ітерації робилися доти, поки для всіх значень першого змінюваного параметра мінімальний коефіцієнт стійкості породного масиву не приймав значення менші, ніж аналогічний показник для системи камер без компенсаційних порожнин. Потім змінювався третій параметр на один крок і процедура повторювалася.

За значеннями мінімального коефіцієнта стійкості, отриманими на кожному кроці обчислень, були побудовані об'ємні діаграми, що демонструють залежність стійкості системи камер одночасно від двох параметрів компенсаційних порожнин.

Вплив компенсаційних порожнин із різними параметрами на стійкість приконтурного породного масиву був досліджений за всім діапазоном гірничо-геологічних умов, що відповідають підземній розробці пиляних вапняків Криму. При цьому змінювалися параметри, , і на кожнім кроці виконувалися обчислення за описаною вище схемою.

Для кожного розглянутого поєднання параметрів, , були визначені діапазони параметрів компенсаційних порожнин, які сприяють максимальному підвищенню стійкості підземних споруд. Аналіз діапазонів параметрів компенсаційних порожнин, що рекомендуються у різних гірничо-геологічних умовах, дозволив установити залежність між ними. Було встановлено, що орієнтація пропилів практично не залежить від гірничо-геологічних умов і фізико-механічних властивостей порід, що вміщають. Кут у всьому діапазоні їх зміни, що відповідає умовам підземної розробки пиляних вапняків Криму, може приймати будь-які значення з наступного діапазону:

Величина внутрішнього тиску в пропилах нелінійно залежить одночасно від трьох параметрів. Фактичне значення внутрішнього тиску може відхилятися від середнього на 8% у більшу чи у меншу сторону.

Отримані для системи камер прямокутного перетину результати були перевірені на камерах більш складного обрису, характерного для комбінованої системи розробки пиляних вапняків Криму. Компенсаційні порожнини й у цьому випадку сприяють більш рівномірному розподілу напружень у породному масиві, що вміщує виробки.

Ефект підвищення стійкості підземних споруд пропонується оцінювати за допомогою коефіцієнта відносного зниження концентрацій напружень:

Значення, в залежності від фізико-механічних властивостей порід, що вміщають, демонструє.

Створення компенсаційних порожнин не вимагає значних матеріальних витрат і істотних змін в організації робіт з видобутку вапняку. Пропили на контурі камер можна створювати тим же каменерізним устаткуванням, яким здійснюється випилювання блоків з масиву паралельно з виїмкою першого й останнього шарів. Внутрішній тиск передбачається створювати шляхом заповнення пропилів сумішшю, що розширюється. Вартість створення компенсаційних порожнин глибиною 360 мм на 1 м. п виробки орієнтовно складає 13.92 грн.

Економічний ефект від реалізації запропонованого способу підвищення стійкості підземних споруд в умовах підземної розробки пиляних вапняків Криму передбачається одержувати за рахунок зниження ширини міжкамерних ціликів і підвищення таким чином коефіцієнта видобутку корисної копалини. Ширина міжкамерних ціликів призначається з умови забезпечення необхідного запасу міцності Z, обумовленого несучою здатністю ціликів і навантаженням, що діє. При визначенні навантаження P, що діє, враховується нерівномірність розподілу напружень навколо виробок, шляхом введення в формулу відповідного коефіцієнту k. Проведені дослідження показують, що компенсаційні порожнини з установленими параметрами сприяють більш рівномірному розподілу напружень навколо виробок. Отже, можна обґрунтовано зменшити величину k з урахуванням відносного зниження концентрації напружень. Зниження значення коефіцієнта концентрації напружень k спричиняє зниження значення навантаження, що діє на цілик. Якщо значення коефіцієнта запасу міцності задовольняє умовам експлуатації, то можна знизити несучу здатність ціликів шляхом зменшення їх ширини таким чином, щоб значення Z залишилося незмінним. Очікуваний економічний ефект, віднесений до 1 м3 добутого вапняку, залежить від значення співвідношення і величини відносного зниження концентрації напружень. Результати проведених досліджень були впроваджені при будівництві підземного овочефруктосховища “Беш-Терек” у Криму з супутнім видобутком пиляного вапняку. Застосування компенсаційних порожнин дозволило підвищити коефіцієнт видобутку корисної копалини на 7%. Економічний ефект склав 98 тис. грн.

Висновки

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, у якій на основі вперше встановлених закономірностей перерозподілу напружень у породному масиві під дією компенсаційних порожнин вирішена актуальна науково-технічна задача підвищення стійкості виробок камерного типу, створених під час підземного видобутку пиляних вапняків.

Основні наукові і практичні результати роботи полягають у наступному:

1. Аналіз літературних джерел показав, що розміщення об'єктів різного народногосподарського призначення в підземному просторі є перспективним напрямком розвитку України, особливо, коли йдеться про супутній видобуток корисної копалини. Сформована в даний час правова й економічна обстановка в нашій країні сприяють реалізації цього напрямку.

2. Доведено, що для підвищення стійкості підземних споруд компенсаційні порожнини у вигляді щілинних пропилів необхідно розташовувати в максимально напружених зонах породного масиву, що вміщує. При цьому усередині пропилів необхідно створювати тиск деякої величини.

3. Доведено, що при вирішенні задач гірничої геомеханіки методами граничних елементів, кількість апроксимуючих прямолінійних граничних елементів повинна визначатися, по-перше, системними ресурсами ЕОМ, а, по-друге - необхідною точністю розрахунків. При цьому їх кількість для кожного замкнутого контуру повинна бути не менш 300.

4. На основі аналітичних досліджень уперше встановлено, що для забезпечення необхідної точності розрахунків методами граничних елементів, довжина кожного прямолінійного граничного елемента, що оцінюється відносним відхиленням від середнього значення, повинна знаходитися в межах (-75 ? 175%).

5. Установлено, що орієнтація компенсаційних порожнин у вигляді щілинних пропилів практично не залежить від гірничо-технічних умов підземної розробки пиляних вапняків Криму і повинна знаходитися в межах 25 - 35 °; довжина пропилів прямо пропорційна коефіцієнту; величина внутрішнього тиску визначається за допомогою номограми в залежності від вертикальної складової початкового поля напружень, коефіцієнта Пуассона і коефіцієнта, де відношення межі міцності порід, що вміщають, на розтягання до межі міцності на стиск, що дозволить визначати параметри компенсаційних порожнин в умовах конкретного родовища.

6. Установлені закономірності й отримані на їхній основі технічні рішення дозволили сформулювати рекомендації з підвищення стійкості підземних виробок родовищ пиляного вапняку Криму шляхом застосування компенсаційних порожнин. Рекомендації були реалізовані при проектуванні і будівництві овочефруктосховища “Беш-терек” (Крим) з супутнім видобутком пиляного каменю. За рахунок зменшення ширини міжкамерних ціликів був підвищений коефіцієнт видобутку на 7%. Економічний ефект склав 98 тис. грн.

Список опублікованих робіт здобувача за темою дисертації

1. Мартиненко С.В., Гавриш А.К. Аналіз впливу технології проведення виробок на їх стійкість // Науковий вісник НГАУ. - 1999. - №6. - С. 35-37.

2. Гавриш А.К., Роєнко А.М. Дослідження пружно-деформованого стану гірського масиву навколо одиночної камери великого перерізу // Вісник ЖІТІ. - 2002. - №2(21) / Технічні науки. - С. 139-142.

3. Гавриш А.К. О повышении длительной устойчивости подземных сооружений // Науковий вісник НГАУ. - 2002. - №2. - С. 13-15.

4. Гавриш А.К., Роенко А.Н. Управление напряженно-деформированным состоянием породного массива в окрестности одиночной камеры большого поперечного сечения с помощью компенсационных полостей // Проблеми гірського тиску. - Донецьк: ДонНТУ, 2002. - №8 - С. 40-52.

5. Гавриш А.К., Ефанов К.А. Применение компенсационных полостей для повышения устойчивости горных выработок при подземной разработке пильных известняков // Тезисы докладов Междунар. науч.- техн. конф. “Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений”. - Донецк: ООО “Норд-пресс”, 2004. - С. 53-56.

Анотація

Гавриш А.К. Геомеханічне обґрунтування параметрів способу керування напруженим станом порід навколо виробок камерного типу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.09 - “Механіка ґрунтів та гірських порід”. Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, Дніпропетровськ, 2004.

У дисертації викладені результати досліджень закономірностей перерозподілу напружень у породному масиві, що вміщає камери великого поперечного перерізу, під дією компенсаційних порожнин у вигляді щілинних пропилів.

Аналіз підземних систем розробки пиляних вапняків у Криму показав, що підвищення стійкості утворених виробок, з огляду на подальше їх використання, можливо шляхом створення компенсаційних порожнин у приконтурному масиві.

Для рішення поставленої задачі був удосконалений алгоритм рішення задач гірничої геомеханіки методами граничних елементів і створений новий обчислювальний засіб Underground, що на сучасному рівні реалізує зазначені методи.

Чисельним моделюванням були встановлені параметри компенсаційних порожнин у вигляді щілинних пропилів для різних гірничо-геологічних умов, що відповідають підземній розробці пиляних вапняків у Криму.

Ключові слова: пиляні вапняки, компенсаційні порожнини, напружений стан порід, стійкість породного масиву, що вміщує, граничні елементи.

Аннотация

Гавриш А.К. Геомеханическое обоснование способа управления напряженным состоянием пород вокруг выработок камерного типа. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.15.09 - “Механика грунтов и горных пород”. Национальный горный университет Министерства образования и науки Украины, Днепропетровск, 2004.

В диссертации изложены результаты исследований закономерностей перераспределения напряжений в породном массиве, вмещающем камеры большого поперечного сечения, под действием компенсационных полостей в виде щелевых пропилов.

Анализ литературных источников показал, что сложившаяся в настоящее время экономическая и правовая обстановка в Украине способствуют освоению подземного пространства путем размещения в нем объектов, не связанных с добычей полезного ископаемого. Особенно перспективным в этом отношении является совмещение процессов формирования полостей в земной коре под будущие объекты с добычей полезного ископаемого, какое имеет место при подземной разработке пильных известняков в Крыму.

Выполнен анализ систем подземной разработки пильных известняков в Крыму. Установлено, что повышение устойчивости образованных выработок ввиду их дальнейшего использования возможно путем создания компенсационных полостей в приконтурном массиве.

Исследование закономерностей перераспределения напряжений вокруг выработок под действием компенсационных полостей производилось численным моделированием с применением метода граничных элементов. Предварительно был усовершенствован алгоритм решения задач горной геомеханики этим методом с учетом специфики задачи. Было исследовано влияние количества аппроксимирующих граничных элементов, а также различия их длин на точность расчетов. На основе известных алгоритмов, а также с учетом результатов проведенных исследований было создано новое вычислительное средство Underground, на современном уровне реализующее методы граничных элементов.

Исследования напряженного состояния пород в окрестности одиночной камеры показали, что компенсационные полости в виде щелевых пропилов необходимо создавать в зонах максимальных концентраций эквивалентных напряжений. Внутри пропилов необходимо создавать давление некоторой величины.

Для исследования параметров компенсационных полостей в условиях камерных систем разработки была составлена расчетная схема из трех камер прямоугольного поперечного сечения. В углах камер под углом располагались щелевые пропилы длиной с внутренним давлением величиной. Численным моделированием были установлены указанные выше параметры компенсационных полостей для различных горно-геологических условий, соответствующих подземной разработке пильных известняков в Крыму.

Установленные закономерности позволили разработать рекомендации по повышению устойчивости подземных сооружений путем создания компенсационных полостей. Экономический эффект от применения рекомендаций получается за счет снижения ширины междукамерных целиков и повышения, таким образом, коэффициента извлечения полезного ископаемого. В зависимости от конкретных горно-геологических условий экономический эффект может достигать 0.6 грн на 1 м3 добытого известняка.

Результаты исследований были реализованы при проектировании и строительстве овощефруктохранилища “Беш-Терек” с попутной добычей пильного камня. За счет применения компенсационных полостей коэффициент извлечения полезного ископаемого был увеличен на 7%. Экономический эффект составил 98 тыс.грн.

Результаты исследований опубликованы в 5 научных работах.

Ключевые слова: пильные известняки, компенсационные полости, напряженное состояние пород, устойчивость вмещающего породного массива, граничные элементы.

The summary

Gavrish A.K. The geomechanical substantiation of rock stressed state control way the chamber-type developments. - Manuscript.

Thesis on obtaining scientific degree of Candidate of Technical Science. Specialty 05.15.09 - Rock and Ground Mechanics. National Mining University of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Dnepropetrovsk 2004.

The dissertation is devoted to the results of pressure reallocating research in a rock mass, which contains chambers of large cross-section influenced by compensatory cavities in a kind of slot-hole kerfs.

The analysis of sawn chalkstones underground mining methods in the Crimea has shown that it is possible to increase the stability of developed mine workings by the way of compensatory cavities creation in a near-by located rock mass.

The algorithm of task solving for mining geomechanics by methods of boundary elements was advanced. Program “Underground” has been created to apply above-mentioned method according to the modern level of knowledge.

The parameters of compensatory cavities have been established by usage of numerical modeling method for different geological conditions in a kind of slot-hole kerfs. These parameters conform to the condition of sawn chalkstones underground mining in Crimea.

Key words: sawn chalkstones, compensatory cavities, stress state of rocks, stability of rock mass held, boundary elements.

Размещено на Allbest.ru

...