Обґрунтування параметрів способу забезпечення стійкості капітальних виробок вугільних шахт в умовах нестійких порід підошви

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

УДК 622.831.3

Обґрунтування параметрів способу забезпечення стійкості капітальних виробок вугільних шахт в умовах нестійких порід підошви

Спеціальність 05.15.04 - “Шахтне та підземне будівництво”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Рязанцев Олександр Петрович

Дніпропетровськ 2004

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент М'якенький В'ячеслав Валентинович, докторант кафедри будівельних геотехнологій і геомеханіки Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Бузило Володимир Іванович, професор кафедри підземної розробки родовищ корисних копалин Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

кандидат технічних наук, доцент Борщевський Сергій Васильович, докторант кафедри будівництва шахт та підземних споруд Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України (м. Донецьк)

Провідна установа: Донбаський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра будівельних геотехнологій і гірничих споруд.

Захист відбудеться 28.01. 2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49027, Україна, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19)

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

Автореферат розісланий 26.12.2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.В. Солодянкін

АНОТАЦІЯ

Рязанцев О.П. Обґрунтування параметрів способу забезпечення стійкості капітальних виробок вугільних шахт в умовах нестійких порід підошви. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.04. - “Шахтне та підземне будівництво”. Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, Дніпропетровськ, 2004.

У дисертації викладені результати досліджень стійкості капітальних виробок з нестійкими породами підошви на прикладі шахти "Комсомолець Донбасу".

У результаті проведеного аналізу факторів, що впливають на стійкість порід підошви, запропонований спосіб боротьби зі здиманням порід на основі створення в підошві виробки тришарової конструкції (знизу нагору): зони розвантаження (демферний шар), полімерної плівки (волого-ізолюючий шар) і зони укріплених порід (несучий шар).

За результатами проведення фізичного та математичного моделювання побудовані діаграми для визначення раціональних параметрів способу (розміри розпушеної і укріпленої зон, коефіцієнт розпушення порід демпферної зони).

Отримані залежності лягли в основу рекомендацій із застосування пропонованого способу підвищення стійкості капітальних виробок з нестійкими породами підошви.

Результати досліджень опубліковані в 9 наукових статтях.

Ключові слова: капітальна виробка, здимання порід, підривка підошви, коефіцієнт розпушення, тришарова конструкція, зона розпушених порід, зона укріплених порід.

АННОТАЦИЯ

Рязанцев А.П. Обоснование параметров способа обеспечения устойчивости капитальных выработок угольных шахт в условиях неустойчивых пород почвы. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.04. - “Шахтное и подземное строительство”. Национальный горный университет Министерства образования и науки Украины, Днепропетровск, 2004.

В диссертации изложены результаты исследований устойчивости капитальных выработок с неустойчивыми породами почвы на примере шахты “Комсомолец Донбасса”.

Выполнены замеры смещений породного контура после проведения выработки и в результате эксплуатации. На основании полученной информации и последующей ее статистической обработки установлены зависимости развития процесса пучения пород почвы в капитальных выработках с момента проведения выработки и характер изменения смещений пород при эксплуатации, после проведения подрывки. Установлено, что вспучивание пород почвы в капитальных выработках носит циклический характер и представляет собой затухающий во времени, в пределах цикла, процесс потери упругопластической устойчивости приконтурного массива, который характеризуется наличием четырех стадий - упругой, упругопластической, потери упругопластической устойчивости и затухания интенсивности деформаций - в первом цикле и двух стадий - потери упругопластической устойчивости и затухания интенсивности деформаций, в последующих циклах, что позволяет на этой основе разрабатывать технические решения по управлению его параметрами.

Установлены характерные для рассматриваемых условий зависимости формирования зон деформирования пород почвы от срока эксплуатации для капитальных выработок на различных горизонтах. Установлено, что в условиях шахты “Комсомолец Донбасса” средняя величина начальных пластических деформаций на контуре капитальной выработки составляет 180мм и не зависит от глубины её расположения, а величина конечных пластических деформаций различна и нелинейно зависит от глубины расположения выработки и длительности протекания процесса, что позволяет прогнозировать периодичность ремонтных работ и оценивать эффективность применяемых технических решений.

В результате проведенного анализа факторов, влияющих на устойчивость пород почвы, предложен способ борьбы с пучением пород почвы на основе создания в почве выработки трехслойной конструкции (снизу вверх): зоны разгрузки (демпфирующий слой), полимерной пленки (влагоизолирующий слой) и зоны укрепленных пород (несущий слой).

На основе испытаний эквивалентного материала на гидравлическом и винтовом прессе с соблюдением условий подобия получены зависимости, характеризующие влияние коэффициента разрыхления на физико-механические показатели предварительно нарушенного породного массива (породы демпфирующего слоя).

На основе проведения физического моделирования на плоском стенде получена качественная картина напряженно-деформированного состояния вмещающих пород капитальной выработки при различных параметрах способа, а также определена рациональная форма зоны разрыхленных пород.

По результатам проведения математического моделирования построены диаграммы для определения рациональных параметров способа (размеры разрыхленной и уплотненной зон, коэффициент разрыхления пород демпферной зоны). Установлено, что при принятом способе обеспечения устойчивости пород почвы в капитальных выработках шахты “Комсомолец Донбасса” величина смещений пород почвы нелинейно уменьшается с ростом коэффициента разрыхления пород и размеров демпферной зоны, что позволяет управлять состоянием выработки путем изменения величины и плотности заряжания камуфлетных зарядов.

Полученные зависимости легли в основу рекомендаций по применению предлагаемого способа повышения устойчивости капитальных выработок с пучащей почвой.

Результаты исследований опубликованы в 9 научных статьях.

Ключевые слова: капитальная выработка, пучение пород, подрывка почвы, коэффициент разрыхления, трехслойная конструкция, зона разрыхленных пород, зона укрепленных пород.

THE SUMMARY

Ryazantsev A.P. Substantiation of parameters of a way of mines' capital workings stability maintenance in conditions of unstable rocks of ground. - Manuscript.

The dissertation of obtaining a scientific degree of the candidate of engineering science in speciality 05.15.04. - "Mine and Underground Construction". National Mining University of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Dnipropetrovsk, 2004.

In the dissertation results of researches of stability of capital workings with unstable rocks of a ground are stated by the example of mine "Komsomolets Donbassa". As a result of the lead analysis of factors which influence stability of rocks of the ground, it was offered the way of struggle with rock heaving on the basis of creation in a ground of working of a three-layer design (from below upwards): zone of unloading (damping layer), a polymeric film (damp-proof layer) and zone of strengthened rocks (a bearing layer). By results of carrying out of physical and mathematical modeling there were constructed diagrams for definition of rational parameters of a way (the sizes of the loosened and condensed zones, rocks' damping zone loosening factor).

The received dependences have underlain recommendations on application of the offered way of increase of stability of capital workings with unstable rocks of ground.

Results of researches are published in 9 scientific articles.

Keywords: capital workings, heaving of rocks, undermining of rocks, loosening factor, a three-layer design, a zone of loosened rocks, a zone of strengthened rocks.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Збільшення глибини розробки вугільних пластів Донбасу, погіршення гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов їхньої розробки сприяють зниженню стійкості капітальних і підготовчих виробок шахт.

На цей час на вугільних шахтах України незадовільний стан гірничих виробок приводить до високих витрат на їхній ремонт і відновлення, при цьому істотно ускладнюються роботи з усього технологічного ланцюга діючого гірничо-видобувного підприємства. Ремонтно-відбудовчим роботам піддаються щорічно від 7 до 15% виробок, витрати досягають величин, порівнянних з вартістю проведення виробок, і, проте, значна їхня частина продовжує залишатися в незадовільному стані.

Аналіз роботи шахтобудівних організацій показує, що нерідко до моменту здачі гірничого підприємства в експлуатацію значна частина виробок вимагає виконання відбудовних робіт, у ряді випадків виробки перекріплюються практично цілком, особливо внаслідок здимання порід підошви. Це приводить до перевитрати кріпильних матеріалів, збільшенню трудовитрат на підготовку нових лав і, як наслідок, збільшенню собівартості вугілля, що згодом видобувається.

Відповідно до цього однією з основних задач, що стоїть перед гірничо видобувними підприємствами, поряд зі збільшенням видобутку вугілля, є зниження його собівартості. Таким чином, наукові дослідження, направленні на комплексне рішення цієї задачі шляхом підвищення стійкості підземних виробок і зниження витрат на виконання трудомістких ремонтних робіт, є актуальними і мають важливе народногосподарське значення.

Робота виконана відповідно до програми науково-дослідних робіт Національного гірничого університету по держбюджетній темі ГП-321 (№ держ. реєстрації 0103U001292).

Ціль роботи полягає в розробці і геомеханічному обґрунтуванні параметрів високоефективного способу боротьби зі здиманням порід підошви на основі сукупності технічних заходів з урахуванням особливостей геологічного складу породного масиву.

Основна ідея роботи полягає у використанні закономірностей прояву гірського тиску в капітальних виробках, розташованих в умовах здимання порід підошви, що обдимають, для обґрунтування параметрів способу підвищення стійкості таких виробок.

Об'єктом досліджень є протяжні капітальні виробки, розташовані поза зоною очисних робіт.

Предметом досліджень є стійкість породонесучої конструкції, створеної в породах підошви виробки, що схильні до прояву здимання.

Основні задачі досліджень:

- вибір об'єктів дослідження в натурних умовах;

- установка замірних станцій;

- проведення й обробка результатів вимірів;

- проведення лабораторних досліджень по визначенню параметрів способу боротьби зі здиманням порід підошви на моделях із еквівалентних матеріалів;

- проведення аналітичних досліджень параметрів способу боротьби з породами, що здимаються.

Методи досліджень. Поставлена в дисертаційній роботі мета досягнута шляхом застосування методів комплексного аналізу й узагальнення джерел інформації і досвіду по дослідженню стійкості капітальних гірничих виробок, пройдених в умовах породи підошви, що обдимає, аналітичних, лабораторних і натурних досліджень із залученням методів будівельної механіки, теорії подоби і размерностей, теорії імовірностей і статистики, механіки суцільного середовища, фізичного і комп'ютерного моделювання.

Наукові положення, що захищаються в дисертації:

здимання порід підошви в капітальних виробках носить циклічний характер і являє собою загасаючий у часі в межах циклу процес втрати пружнопластичної стійкості приконтурного масиву, що характеризується наявністю чотирьох стадій - пружної, пружнопластичної, втрати пружнопластичної стійкості і згасання інтенсивності деформацій - у першому циклі і двох стадій - втрати пружнопластичної стійкості і загасання інтенсивності деформацій, у наступних циклах, що дозволяє на цій основі розробляти технічні рішення по управлінню його параметрами.

у гірничо-геологічних умовах шахти "Комсомолець Донбасу" середня величина початкових пластичних деформацій на контурі капітальної виробки складає 180мм і не залежить від глибини її розташування, а величина кінцевих пластичних деформацій різна і нелінійно залежить від глибини розташування виробки і тривалості протікання процесу, що дозволяє прогнозувати періодичність ремонтних робіт і оцінювати ефективність застосовуваних технічних рішень.

при прийнятому способі забезпечення стійкості порід підошви в капітальних виробках величина зміщень порід підошви нелінійно зменшується з ростом коефіцієнта розпушення порід і розмірів демпферної зони, що дозволяє керувати станом виробки шляхом зміни величини і щільності заряджання камуфлетних зарядів.

Наукова новизна одержаних результатів досліджень полягає в тому, що:

- уперше для гірничо-геологічних умов шахти “Комсомолець Донбасу” розроблено і досліджено нову фізичну модель процесу здимання порід підошви у капітальних виробках і на її основі розроблено новий спосіб підвищення їх стійкості;

уперше стосовно до гірничо-геологічних умов шахти "Комсомолець Донбасу" встановлені залежності зміни межі міцності розпушених порід, а також модуля деформації, від величини коефіцієнта розпушення, що дозволило розробити спосіб підвищення стійкості виробки в умовах порід, що обдимають;

обґрунтовано для гірничо-геологічних умов шахти "Комсомолець Донбасу", що процес здимання порід підошви слід ідентифікувати як чотирьох етапний загасаючий у часі процес втрати пружно-пластичної стійкості приконтурного масиву і визначені його основні параметри: початок здимання, величина кінцевих пластичних деформацій, повна величина переміщень на контурі виробки і тривалість кожного етапу, що дозволяє на цій основі для конкретних гірничо-геологічних ситуацій розробляти відповідні технічні рішення по підвищенню стійкості виробок поза зоною впливу очисних робіт;

уперше встановлено, що незалежно від глибини розробки вугільних пластів “Комсомолець Донбасу” кінцева величина пластичних деформацій переміщень складає 180 мм, величина повних переміщень не перевищує 650 мм, а їхня інтенсивність нелінійно залежить від глибини залягання виробки і часу протікання процесу;

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей протікання процесу здимання порід підошви у капітальних виробках і на підставі чого обґрунтовано параметри способу забезпечення їх стійкості, а також виконане геомеханічне обґрунтування його параметрів для умов шахти "Комсомолець Донбасу".

Практичне значення роботи полягає у запропонованому способі зниження зміщень порід підошви капітальних виробок (Патент України № 65446 А, МПК Е 21 D 13/02) та розробці рекомендацій з підвищення стійкості капітальних виробок шахти "Комсомолець Донбасу" в умовах здимання порід, поза зоною впливу очисних робіт, що дозволило виключити ремонтні роботи.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується використанням апробованих методів аналітичних, лабораторних і шахтних досліджень, коректністю поставлених задач, задовільною збіжністю (до 10...15%) результатів лабораторних, натурних, і аналітичних досліджень.

Реалізація результатів досліджень. Результати досліджень реалізовані при створенні експериментальної ділянки в східному відкаточному квершлагу шару l4 горизонту 418 м.

Особистий внесок автора полягає в розробці ідеї підвищення стійкості виробок з породами підошви, що обдимають, розташованих поза зоною впливу очисних робіт, постановці задач і виборі методів досліджень стійкості протяжних виробок, у виконанні натурних, лабораторних і аналітичних досліджень, видачі практичних рекомендацій з вибору і коректування параметрів способу боротьби з здиманням підошви й оцінці економічної ефективності пропонованих заходів.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи повідомлені, обговорені і схвалені на засіданні науково-технічної ради шахти "Комсомолець Донбасу" у 2003...2004р.м., на засіданнях кафедри будівельних геотехнологій і геомеханіки НГУ (2002...2004 р.р.), а також на міжнародних симпозіумах "Тиждень гірника - 2003" (м. Москва), "Форум гірників - 2003" (м. Дніпропетровськ) на засіданні республіканської науково-практичної школи-семінару, 2003 р. (м. Донецьк) і на міжнародних науково-технічних конференціях "Удосконалювання технології будівництва шахт і підземних споруд" - 2004 р. (м. Донецьк), "Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості" - 2004 р. (м. Кривий Ріг).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 8 наукових праць, у тому числі 5 - у спеціалізованих виданнях, 1 - у матеріалах науково-технічних конференцій, 2 - у матеріалах міжнародних симпозіумів.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів і висновків, викладена на 138 сторінках машинописного тексту, містить 83 малюнка, 20 таблиць, додатки, бібліографічний список з 123 найменувань.

Автор виражає глибоку вдячність доктору технічних наук, професору, завідувачу кафедрою будівельних геотехнологій і геомеханіки Національного гірничого університету Шашенку Олександру Миколайовичу за цінні поради і допомогу, що були надані при написанні дисертації.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Сучасний стан гірничопрохідницьких робіт характеризується постійним ростом довжини підтримуваних виробок і збільшенням витрат на їхнє проведення і підтримку. Стан погіршується старінням шахтного фонду, зношеністю устаткування і розтягнутістю комунікацій. Три чверті шахт України має вік більш 30 років. У 2004 р. середня глибина розробки наблизилася до 800м, а на окремих шахтах досягла 1600м.

У зв'язку з ускладненням гірничо-геологічних умов підтримки, пов'язаних з відходом більшості шахт на глибину, знижується довжина знову проведених виробок і спостерігається збільшення обсягів ремонтних робіт в тих, що експлуатуються.

Тенденції до збільшення обсягів видобутку вугілля, що намітилися в галузі, добре просліджуються на показниках роботи кращих вуглевидобувних підприємств, одним із яких є шахта "Комсомолець Донбасу". Збільшення обсягів видобутку нерозривно пов'язано зі збільшенням довжини підтримуваних виробок і проведенням нових капітальних і підготовчих гірничих виробок для відпрацьовування нових горизонтів.

Аналіз витрат, пов'язаних з підтримкою і ремонтом гірничих виробок більшості шахт України, а також вивчення стану капітальних і основних підготовчих виробок шахти "Комсомолець Донбасу", показують, що найбільші труднощі при підтримці виробок представляє боротьба з таким видом прояву гірського тиску, як здимання порід підошви, що інтенсифікується з глибиною.

Значний внесок у дослідження геомеханічних процесів гірського масиву, що вміщує, і підвищення стійкості виробок з породами підошви, що обдимають, внесли такі вчені, як В.В. Виноградов, А.М. Зорін, В.Г. Колесніков, К.В. Кошелев, Г.Г. Литвинський, О.П. Максимов, Л.В. Новікова, А.М. Роєнко, О.О. Сдвіжкова, С.Б. Тулуб, А.А. Черняєв, Л.Я. Парчевський, О.М. Шашенко, Б.М. Усаченко та ін.

У працях цих авторів вирішені важливі питання поводження вміщуючого масиву, зміни його напружено-деформованого стану, і, зокрема , розробки способів боротьби зі здиманням у виробках для підтримки їх у стійкому стані при різних умовах експлуатації.

Однак, при усій своїй важливості, ефективність розроблених способів, унаслідок величезної різноманітності гірничо-геологічних умов вугільних родовищ України, що розробляються, носить локальний, конкретний для розглянутого регіону і навіть шахти, характер. При цьому, у більшості випадків представляється можливим лише скоротити кількість підривок, розтягуючи процес здимання, що не припиняється, у часі.

У зв'язку з цим виникає необхідність детальної розробки нових, більш ефективних і економічно вигідних, методів запобігання процесу здимання, зі спільним використанням декількох заходів, що дозволить знизити недоліки окремих способів і підвищити ефективність комплексу заходів у цілому.

Виходячи з вищевикладеного, основною задачею досліджень, що виконані у дисертації, є розробка і геомеханічне обґрунтування параметрів високоефективного способу боротьби зі здиманням порід підошви на основі сукупності технічних заходів з урахуванням особливостей геологічного складу породного масиву.

Базовим підприємством для виконання досліджень визначена шахта "Комсомолець Донбасу".

Для дослідження характеру проявів здимання порід підошви в капітальних і підготовчих виробках тривалого терміну експлуатації на шахті "Комсомолець Донбасу" була закладена експериментальна ділянка в східному відкаточному квершлагу гор.418м, що складається з 17-и замірних станцій. У результаті проведення спостережень встановлено, що величина і швидкість зсуву породних шарів від контуру виробки всередину масиву носить загасаючий характер при відсутності істотних зміщень у породах підошви на глибині більш 4 м. Також встановлено, що величина підняття підошви змінюється нерівномірно і має загасаючий, і, у залежності від числа зроблених підривок, циклічний у часі характер (рис. 1).

Характер зміщень порід підошви з'явився ідентичним на відповідних ділянках діаграми, що дозволяє говорити про деяку закономірність процесів, що відбуваються в приконтурному масиві порід до і після проведення підривки. Проведені дослідження дозволили виділити навколо виробки в міру видалення від вибою наявність декількох областей (рис. 2). Дані області характеризуються різною інтенсивністю протікання механічних процесів:

а) область пружного деформування;

b) область пластичних деформацій;

c) область інтенсивного здимання порід підошви;

d) область стабілізації чи незначного продовження процесу здимання порід підошви.

Характерною рисою області (c) є дуже швидкий ріст деформацій протягом досить короткого проміжку часу, що відбуває після того, як пластичні деформації досягають деяких критичних значень.

Після підривки - процес підняття підошви виробок є двохстадійним. Це стадії втрати пружно-пластичної стійкості і загасання інтенсивності деформацій.

Після проведення робіт з підривки підошви спостерігався активний розвиток процесів здимання в початковий період (30...50 діб) і загасаючий характер у наступний період. Різна інтенсивність протікання процесів здимання у виробках на різних обріях у початковий період (25...35 діб) пояснює, чому зсуви порід ґрунти виявляються швидше на більш глибоких обріях. У результаті отримана характерна для розглянутих умов залежність зміни інтенсивності процесу здимання після проведення підривки підошви протягом даного періоду експозиції у виробках на різних горизонтах (рис. 3).

Отримано емпіричні залежності зміни інтенсивності здимання в часі з урахуванням глибини горизонту:

; (1)

, (2)

де U' та U'' - інтенсивність здимання до і після проведення підривки відповідно, мм/добу;

Н - глибина горизонту, м;

T - тривалість експлуатації виробки після проведення підривки, діб.

На основі аналізу вже існуючих способів охорони виробок і виконаних експериментальних досліджень з відповідною обробкою даних шахтних експериментів для умов слабких вуглевміщуючих порід (типу піщанистих і глинистих сланців) був запропонований спосіб боротьби зі здиманням, в основі якого лежить комплекс мір, що враховують характер і встановлені особливості протікання геомеханічних процесів у породах, схильних до здимання.

Пропонований спосіб передумовлює штучне утворення в підошві виробки двох шарів порід, що відрізняються за фізико-механічними властивостями: демпферного з розпушених порід (1), а також несучого зміцненого шару (3), (рис. 4) який забезпечує стійкість порід підошви за рахунок перерозподілу напружень на бічні породи приконтурного масиву. Полімерний розчин, що нагнітається під тиском, ізолює шар зміцнених порід від проникнення вологи з боку демфіруючого шару зруйнованих порід. Розпушення порід у демферному шарі досягається за рахунок застосування камуфлетного висадження.

Для визначення параметрів даного способу для конкретних умов шахти "Комсомолець Донбасу" було проведено фізичне моделювання з використанням моделей з еквівалентних матеріалів. Спочатку встановлювалися параметри деформування попередньо порушених порід залежно від коефіцієнта їхнього розпушення. На основі випробувань еквівалентного матеріалу на гвинтовому і гідравлічному пресах отримані залежності, що характеризують вплив коефіцієнта розпушення на фізико-механічні показники попередньо порушеного породного масиву (рис. 5).

Подальші дослідження проводилися на плоскому стенді з урахуванням шаруватості масиву у підошві виробки. Розрахункова схема експериментів представлені на рис. 7.

Усього випробувано 45 моделей, що імітують реальні гірничотехнічні умови, на яких варіювалися параметри способу боротьби з процесами здимання. За результатами моделювання визначалася ефективність різних варіантів запропонованого способу при різних параметрах зон розпушених і ущільнених порід (глибина, ширина і коефіцієнт розпушення для розпушеної зони). Основним критерієм при визначенні даних параметрів були максимум несучої здатності породної конструкції в підошві виробки, мінімальна величина підняття підошви і мінімізація витрат, пов'язаних з виконанням запропонованих заходів.

Визначено вплив форми ущільненої зони на її стійкий стан - при переході від круглої форми зворотного зводу зони укріплених порід до еліптичного змінюється кут зрізу бічних граней даної зони (рис. 8).

Це дозволило визначити еліптичну форму укріпленої зони, як раціональну, що забезпечує більш високу її несучу здатність.

На основі проведення фізичного моделювання отримана якісна картина напружено-деформованого стану масиву, що вміщає.

Наступним етапом досліджень для підтвердження адекватності результатів фізичного моделювання стало виконання математичного моделювання процесу здимання з використанням методу скінчених елементів. На підставі рішення пружно-пластичної задачі, досліджувався напружено-деформований стан гірських порід навколо капітальної виробки аркової форми в умовах слабких порід підошви для визначення параметрів запропонованого способу боротьби зі здиманням. Для цього було розглянуто два варіанти: без застосування способу створення тришарової породонесучої конструкції в підошві виробки і при його наявності. Спочатку визначали напружено-деформований стан масиву порід, що вміщають, для базового випадку, коли виробка закріплена тільки арковим кріпленням. Потім використовували розрахункову схему із застосуванням запропонованого способу (рис. 9).

У ході виконання розрахунків по 25 моделям з різними варіантами геометричних параметрів і величин коефіцієнта розпушення демпферної зони визначалися значення напружень, що виникають у приконтурному масиві.

Шляхом додавання елементів по двох останніх елементних групах визначали ефективність способу при даних параметрах зони розпушених і зони ущільнених порід.

Таким чином, на основі виконаних випробувань фізичних моделей була визначена якісна картина зміни напружено-деформованого стану порідного масиву при різних розмірах двох зон. Шляхом чисельних досліджень розглядалася кількісна характеристика захисної дії способу при кожній конкретній ситуації.

З використанням розрахунків за критерієм стійкості Парчевського-Шашенко виділено з розглянутих геометричних параметрів області раціональних значень, при яких досягається підвищення стійкості виробки. Результати чисельного моделювання було оброблено і представлено у вигляді графічних залежностей (рис.10).

У результаті виконання розрахунків встановлено, що при зниженні кількості зруйнованих елементів порід, що підстилають, і максимальному залученні елементів демпферної зони відбувається зниження переміщень елементів укріпленої зони, а також зниження напружень на контурі. Збільшення ж розмірів демпферної й укріпленої зон істотно знижують зміщення порід з боку підошви.

Проведені дослідження дозволили отримати графіки, на основі яких можливо визначати раціональні параметри способу: ширину і глибину розпушеної й укріпленої зон, а також раціональну величину коефіцієнта розпушення, при яких забезпечується необхідна стійкість порід підошви (рис. 11).

Для проведення натурних експериментальних досліджень на шахті "Комсомолець Донбасу" був обраний східний відкаточний квершлаг на гор. 418 м. Довжина експериментальної дільниці склала 100м. Спостереження за його станом протягом 12 місяців показали, що величина підняття порід підошви склала 2...4 см за весь термін експлуатації, у той час як на ділянках квершлагу без застосування способу підривка підошви проводилася 2 рази (рис. 12).

Реалізація запропонованого способу боротьби зі здиманням порід підошви можлива як для капітальних виробок, що проводяться, так і для тих, що вже експлуатуються.

На підставі виконаних досліджень отриманий відповідний патент України, а також розроблені і затверджені рекомендації з застосування запропонованого способу підвищення стійкості капітальних виробок з підошвою, що здимається. Були визначені середні витрати на ремонт і підтримку 1 м виробок і виконаний розрахунок очікуваної економічної ефективності від використання способу, що складає при довжині виробки 1000 м, приблизно 197 тис. грн. на рік при експлуатації протягом 10 років, з розрахунку необхідності виконання підривки 2 рази на рік по всій довжині виробки по прийнятій на шахті технології.

підошва породонесучий станція

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій на підставі уперше отриманих для гірничо-геологічних умов шахти “Комсомолець Донбасу” закономірностей отримане нове рішення актуальної науково-прикладної задачі, що полягає в підвищенні тривалої стійкості капітальних виробок, породи підошви яких здимаються у процесі експлуатації.

Основні наукові і практичні результати дисертації полягають у наступному:

1. Приведено аналіз факторів, що впливають на здимання порід підошви в капітальних виробках. Виділено основні фактори, що мають найбільший вплив на процес здимання в умовах шахти "Комсомолець Донбасу".

2. Встановлено, що найбільш раціональним для забезпечення стійкості виробки в умовах активного здимання порід підошви є сумісне використання декількох заходів, у результаті чого запропонований новий спосіб боротьби з здиманням порід на основі створення в підошві виробки зони розвантаження і формування за допомогою цементного розчину зони укріплених порід (Патент України № 65446 А, МПК Е 21 D 13/02).

3. На основі проведених випробувань визначені залежності зміни межі міцності розпушених порід, а також модуля деформації від величини коефіцієнта розпушення, що дозволило використовувати отримані дані для виконання на основі аналітичних досліджень методом скінчених елементів аналізу ефективності способу боротьби зі здиманням порід і визначити границі раціональних параметрів способу.

4. На моделях з еквівалентних матеріалів визначені раціональні параметри способу підвищення стійкості виробки, що знаходиться в умовах порід шахти, що обдимають, "Комсомолець Донбасу": розмір укріпленої зони по глибині - не менш 2 м, по ширині - не менш 6,5 м; глибина розпушеної зони - не менш 3 м, ширина - не менш 10,5 м..

5. Розмір зони непружних деформацій шару укріплених порід істотно залежить від геометричних і фізико-механічних параметрів зон розвантаження й укріплених порід (глибина, ширина, коефіцієнт розпушення): максимальні результуючі переміщення зменшуються від 1,1 до 8,2 разів при збільшенні відповідних розмірів укріпленої (глибина: 1,52...2,13м, ширина: 5,63...6,88) і розпушеної (глибина: 3,04...3,96м, ширина: 8,75...10,6) зон способу боротьби зі здиманням.

6. На підставі математичного моделювання установлено, що для капітальних виробок в умовах шахти "Комсомолець Донбасу" раціональні параметри укріпленої зони знаходиться в межах: глибина 1,83...2,13м і ширина 6,25...6,88м; для зони розвантаження: глибина - 3,65...3,96м і ширина - 9,38...10,6 м.

7. У результаті порівняльного аналізу рекомендовані раціональні параметри способу боротьби зі здиманням порід підошви при мінімальних витратах на виробництво.

8. Розроблено схеми ведення робіт при створенні розвантаженої й укріпленої зон способу боротьби зі здиманням підошви для випадку проведених й експлуатованих виробок. Спосіб було використано при створенні експериментальної ділянки в умовах шахти "Комсомолець Донбасу". Величина підняття порід підошви на експериментальній ділянці за 12 місяців експлуатації склала 2...4см.

9. Отримані технічні рішення були рекомендовані для використання в умовах шахти "Комсомолець Донбасу". Очікуваний економічний ефект від реалізації запропонованого способу забезпечення стійкості капітальної виробки в умовах хитливих порід підошви, при довжині виробки 1000 м, складе приблизно 197 тис.грн. на рік при експлуатації протягом 10 років, з розрахунку необхідності виконання однієї підривки на рік по всій довжині виробки по прийнятій на шахті технології.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Рязанцев А.П. Разработка нового способа борьбы с пучением пород почвы // Сборник научных трудов НГУ - Днепропетровск: РИК НГУ. - Т.2, №17. - 2003. - С. 79-83.

2. Рязанцев А.П. Результаты натурных измерений смещений контура квершлага гор.418м шахты “Комсомолец Донбасса”// Прогрессивные технологии строительства, безопасности и реструктуризации горных предприятий: Материалы республиканской научно-практической школы-семинара. - Донецк: НОРД-пресс. - 2004. - С. 159-164.

3. Гапеев С.Н., Лозовский С.П., Рязанцев А.П. Компьютерное моделирование процесса пучения пород почвы в подготовительных выработках // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2003. - №10. - С. 99-101.

4. Рязанцев А.П., Коваленко В.В., Гладкий А.В. Компьютерное моделирование способа повышения устойчивости капитальных выработок в условиях пучения пород почвы // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений. Тезисы докладов научно-технической конференции. - Донецк: НОРД-пресс. - 2004. - С. 63-64.

5. Рязанцев А.П. Определение параметров способа борьбы с пучением пород почвы для условий капитальных выработок шахты “Комсомолец Донбасса” // Науковий вісник НГУ. - 2004. - №2. - С. 41-43.

6. Рязанцев А.П. Влияние степени разрыхления пород демпферной зоны на параметры способа борьбы с пучением пород почвы // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ. - Кременчук: КДПУ. - 2004. - Вип.1 (24). - С. 72-75.

7. Рязанцев О.П. Шахтні дослідження ефективності застосування способу боротьби із здиманням порід підошви в умовах шахти “Комсомолець Донбасу” // Вісник ЖДТУ. - 2004. - №2(29). - С. 247-250.

8. Рязанцев А.П., Коваленко В.В. Шахтные исследования эффективности применения нового способа борьбы с пучением пород почвы // Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості. Збірник доповідей міжн. наук.-техн. конференції. - Кривий Ріг: КТУ. - Т.I. - 2004р. - С. 91-93.

9. Пат. 65446 А Україна, МПК Е 21 D 13/02. Спосіб забезпечення стійкості гірничих виробок у породах, що здимаються: Пат. 65446 А Україна, МПК Е 21 D 13/02, Шашенко О.М., Терещук Р.М., Рязанцев О.П.; Заявл. 13.10.03; Опубл. 15.03.04; Бюл. №3. - 4.127 с.

Размещено на Allbest.ru

...