Закономірності зміни напружено-деформованого стану породного масиву при відпрацюванні пологого вугільного пласта під охоронюваними об’єктами

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НацІональнИй гІрнИЧИй унІверситет

УДК 622.281.74 (083.75)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Закономірності зміни напружено-деформованого стану породного масиву при відпрацюванні пологого вугільного пласта під охоронюваними об'єктами

Спеціальність 05.15.09 - Геотехнічна і гірнича механiка

Яворський Андрій Васильович

Дніпропетровськ - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі підземної розробки родовищ Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетропетровськ)

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, професор кафедри вищої математики Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ) Новикова Л.В.

Офіційні опоненти:

Назаренко Валентин Олексійович, доктор технічних наук, професор кафедри маркшейдерії Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України;

Усаченко Борис Миронович, доктор технічних наук, професор, завідувач відділу механіки гірських порід Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України.

Захист відбудеться 13.02. 2009 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03 у Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49000, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19).

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49000, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19).

Автореферат розісланий 12.01. 2009 р.

Вчений секретар О.В.Солодянкін.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Вугільна промисловість України основна галузь, що забезпечує видобуток цінної сировини для металургійного, коксохімічного виробництва та енергетики.

Через гострий дефіцит інвестицій у подальший розвиток шахт України нині до відпрацювання залучаються запаси вугілля під забудованими площами і природними об'єктами. Так, лише на діючих шахтах Західного Донбасу вони становлять близько половини промислових запасів. В таких умовах способи і параметри виймання вугілля, поряд із дотриманням високих техніко-економічних показників видобутку, мають відповідати вимогам охорони наземних споруд і природних об'єктів. Пошук відповідних рішень пов'язаний з визначенням й аналізом напружено-деформованого стану (НДС) породної товщі та земної поверхні, які зазнають впливу очисних робіт.

За встановленою традицією, дослідження процесів зсуву порід і деформації земної поверхні відносять до задач маркшейдерії й вирішують поза зв'язком із системами розробки. Наявність наносів, які впливають на швидкість осідань і на інші ознаки деформації, переважно не враховують. Питання ж, пов'язані з аналізом НДС порід на горизонті відробки пласта і визначенням раціональних технологічних параметрів, є предметом дослідження геомеханіки й вирішуються без урахування деформацій земної поверхні. У результаті і заходи щодо захисту охоронюваних об'єктів, і способи розробки, які використовуються на практиці, не приносять бажаних результатів, оскільки недосконалі. Саме тому встановлення закономірностей зміни НДС усієї товщі порід і земної поверхні при відпрацюванні вугільного пласта під охоронюваними об'єктами на основі єдиної розрахункової схеми, є актуальною науково-технічною задачею для гірничої науки та вугільної промисловості.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами.

Дисертація виконана за програмами науково-дослідних робіт Національного гірничого університету, тісно пов'язаними з держбюджетними темами ДП-341 "Розробка і впровадження моделі впливу техногенних факторів на геомеханічні процеси у структурно неоднорідному гірському масиві" (№ держреєстрації 0104U000783) і ДП-388 "Розробка екологічно чистих і безпечних технологій видобутку вугілля" (№ держреєстрації 0106U001371). Напрям здійснених досліджень відповідає Національній енергетичній програмі "Вугілля-2010".

Мета роботи встановлення закономірностей зміни напружено-деформованого стану двошарового породного масиву "наноси - карбон" при відпрацюванні вугільного пласта під охоронюваними об'єктами.

Ідея роботи полягає в урахуванні взаємозв'язку параметрів очисної виїмки вугілля з деформаціями земної поверхні й товщі порід при встановленні закономірностей зміни НДС масиву при його підробці.

Об'єкт досліджень земна поверхня і породна товща.

Предмет досліджень аналітичні співвідношення для одержання якісної картини та кількісних оцінок напружено-деформованого стану всієї товщі порід на будь-якій стадії відпрацювання вугільного пласта.

Основні задачі досліджень:

1. Одержати аналітичне розв'язання плоскої задачі геомеханіки для двошарового масиву "наноси-карбон", що враховує швидкість переміщення очисного вибою, глибину розробки та реологічні властивості порід, а також дає можливість визначати НДС у будь-якій точці породного масиву і земної поверхні на якій завгодно стадії відпрацювання вугільного пласта.

2. Отримати формули для розрахунку максимальних показників деформації земної поверхні, необхідних при порівнянні з нормативними допустимими показниками для різних охоронюваних об'єктів.

3. Розробити алгоритм чисельного розв'язання плоскої задачі геомеханіки з метою визначення жорсткістних параметрів шаруватого породного масиву, необхідних для одержання аналітичного рішення основної задачі досліджень.

4. Визначити і проаналізувати НДС навколо очисної виробки на початковій стадії відпрацювання і земної поверхні в умовах повної й неповної підробки.

5. Розробити методику визначення раціональних параметрів виймання вугілля, які забезпечують видобуток, не завдаючи шкоди охоронюваним об'єктам (силові й жорсткістні параметри механізованого кріплення, швидкість переміщення очисного вибою). Визначити ці параметри для умов шахт Західного Донбасу.

Методи досліджень. Поставлена в роботі мета досягнута шляхом комплексного аналізу й узагальнення інформаційних джерел і світового досвіду у сфері геомеханіки підроблюваного масиву, натурних спостережень за проявами гірського тиску, а також теоретичних досліджень із використанням аналітичних і чисельних методів механіки суцільного середовища та математичної статистики.

Наукові положення, що виносяться на захист:

1. Напружено-деформований стан масиву, що підроблюється, адекватно описується за допомогою моделі двошарового лінійно-спадкового середовища "наноси - карбон" з ядром повзучості типу Абеля, жорсткість якої є кусково-лінійною функцією вертикальної координати y, що дозволяє наблизити розрахунково-теоретичну модель підроблюваного масиву до реального об'єкту.

2. Опускання покрівлі в лаві внаслідок переміщення очисного вибою адекватно описується експоненціальною функцією, аргументом якої є відношення максимальної швидкості осідання покрівлі до швидкості посування лави, помножене на відстань очисного вибою до розрізної печі, що дозволяє визначати НДС підроблюваного масиву і земної поверхні на будь-якому етапі відпрацювання вугільного пласта і обґрунтовувати як параметри виймання вугілля під охоронюваними об'єктами, так і способи захисту останніх від шкідливого впливу гірничих робіт.

Наукова новизна отриманих результатів. 1. На основі методу граничних елементів розроблений новий розрахунковий алгоритм розв'язання плоскої задачі геомеханіки для визначення жорсткістних параметрів наносів і корінних порід масиву, що підроблюється.

Завдяки використанню в алгоритмі співвідношень задачі С. Крауча, справедливих для напівплощини, граничні умови на земній поверхні виконуються автоматично і дискретизації піддаються лише внутрішні межі досліджуваної області (контури очисної виробки). У цьому очевидна перевага розробленого алгоритму перед попередніми.

2. Вперше на основі моделі двошарового середовища "наноси - карбон" методом Фур'є розв'язане диференціальне рівняння типу рівняння теплопровідності, що описує НДС масиву на будь-якій стадії відпрацювання вугільного пласта. Отриманий розв'язок, на відміну від відомих, ураховує швидкість переміщення лави й реологічні властивості порід.

3. Із знайдених уперше загальних аналітичних співвідношень отримані формули для розрахунку максимальних показників деформації земної поверхні, необхідних при порівнянні з нормативними допустимими значеннями у випадку відпрацювання вугільного пласта під охоронюваними об'єктами.

4. Вперше для гірничо-геологічних умов шахт Західного Донбасу визначені кількісні оцінки ступеня впливу глибини розробки , розміру очисної виробки , швидкості переміщення лави і потужності наносів на величину максимальної швидкості осідання земної поверхні.

Наукове значення роботи полягає у розкритті особливостей зсуву й деформування земної поверхні, а також породної товщі у процесі відпрацювання пологого вугільного пласта та їхнього врахування при обґрунтуванні параметрів виймання вугілля, що забезпечують видобуток без заподіяння шкоди охоронюваним об'єктам.

Практичне значення роботи:

1. Розроблена методика визначення раціональних параметрів виймання вугілля під охоронюваними об'єктами (силові й жорсткістні параметри механізованого кріплення, швидкість переміщення очисного вибою).

За даною методикою для гірничо-геологічних умов шахт Західного Донбасу на основі аналізу напружено-деформованого стану порід на горизонті розроблюваного пласта з урахуванням деформацій земної поверхні на ділянці підробки ЛЕП визначене навантаження на механізоване кріплення МК-98 і встановлений діапазон значень швидкості переміщення очисного вибою, за якими кріплення на даній глибині працює надійно й ефективно. Показано, що для глибини = 300...350 м раціональні значення = 80...120 м/міс. Відповідне максимальне сумарне навантаження, що діє на секцію кріплення, становить 940 кН при допустимому = 1560 кН; розрахункове значення опускання покрівлі над перекриттям максимально навантаженої секції кріплення = 0,56 м при допустимому = 0,64 м. На випадок повторної підробки як заходи захисту ЛЕП рекомендовано вирівнювання опор з перепуском проводів.

2. На основі аналізу напружено-деформованого стану порід за допомогою отриманих аналітичних співвідношень установлено, що в умовах шахт Західного Донбасу на глибині = 400 м очікуваний крок обвалення безпосередньої покрівлі = 5 м, а основної = 10 м, якщо очисний вибій переміщується зі швидкістю = 30 м/міс, = 10 м, а = 20 м при =60 м/міс і = 15 м, а = 22 м при =80 м/міс.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджені результатами порівнянь розрахункових значень осідань і нахилів у головному перетині мульди на земній поверхні з відповідними даними маркшейдерських вимірів (при збігу якісної картини кількісно осідання відрізняються на 12...17 %, а нахили на 6...14%). Про достовірність результатів свідчать також порівняльні дані, отримані для ідентичних умов за нормативною методикою й за аналітичними співвідношеннями. Відмінності щодо осідань у різних точках мульди на земній поверхні становлять від 6 до 30 %, а щодо кривизни й нахилів від 5 до 12 %.

Реалізація результатів досліджень.

1. Методику визначення раціональних параметрів виймання вугілля під охоронюваними об'єктами передано до використання ВАТ "Павлоградвугілля" і ДВАТ "Дніпродіпрошахт".

2. Рекомендації з визначення параметрів обвалення покрівлі в лаві, зусиль у гідростійках механізованого кріплення та швидкості посування очисного вибою застосовують у технічному відділі шахти "Степова" при розробці заходів, спрямованих на забезпечення надійної роботи очисного устаткування в лаві та захист охоронюваних об'єктів.

Особистий внесок автора в отримані результати полягає у формулюванні мети й ідеї завдань дослідження, наукових положень, висновків і рекомендацій; у теоретичному вирішенні поставлених завдань; в обробці й аналізі розрахункових і експериментальних даних, у розробці методики визначення раціональних параметрів виймання вугілля під охоронюваними об'єктами.

Апробація роботи. Основні положення й найбільш суттєві результати дисертації доповідалися і були схвалені на "Форумі гірників" (м. Дніпропетровськ, 2005 2008 р.р.), на ІV конференції молодих вчених "Геотехнічні проблеми розробки родовищ" в ІГТМ ім. М.С. Полякова НАН України (м. Дніпропетровськ, 2006 р.), на міжнародній науково-практичній конференції "Школа підземної розробки" (м. Ялта, 2007 р.), на міжнародній науково-технічній конференції "Актуальні проблеми механіки суцільного середовища й міцності конструкцій", присвяченій пам'яті академіка НАН України В.І. Моссаковського (м. Дніпропетровськ, 2007 р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 11 робіт, з них 5 статей у фахових виданнях і 6 у збірниках матеріалів науково-технічних конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 104 найменувань на 11 стор. і двох додатків на 4 стор.; містить 124 сторінки машинописного тексту, 68 рисунків і 13 таблиць. Загальний обсяг роботи 158 стор.

Основний зміст роботи

Вияв закономірностей, яким підпорядковується процес зсуву гірських порід під впливом підземної розробки, одне з найважливіших питань, вирішення якого очікує від науки гірнича практика. Його актуальність випливає з необхідності розробки вугільних пластів під охоронюваними природними об'єктами, спорудами, містами й селищами.

Аналіз публікацій з геомеханіки підроблюваного масиву показав, що розрахункові схеми й методи досліджень проявів гірського тиску в масиві відрізняються від використовуваних при вивченні зсуву гірських порід. Аналітичні розв'язання задач першого напряму отримані на основі спрощених розрахункових схем і переважно належать до лінійно-пружних середовищ. У цій сфері досягнуті значні успіхи завдяки роботам К.В. Руппенейта, А.В. Докукіна, С.Є. Чиркова (розрахунок двошарової покрівлі), І.С. Зубкова, О.М. Лінькова, В.С. Сидорова, М.М. Грищенкова (НДС свити пластів), О.О Борисова, Н.Н. Кайдалова, В.Г. Лабазіна (НДС попереду очисного вибою), В.О. Дрібана (НДС важкої шаруватої напівплощини з розрізом) та ін.

Наблизити розрахункову схему до реального об'єкту допомагають чисельні методи скінченних і граничних елементів. Створені на їх основі розрахункові алгоритми враховують чимало впливаючих чинників, таких як фізична нелінійність середовища (Ж.С. Єржанов, Т.Д. Каримбаєв, О.Б. Фадєєв, Б.М. Усаченко); надробку і підробку пластів (Я.М. Наливайко, М.П. Зборщик, В.В. Назимко), реологічні властивості порід і швидкість посування лави (Л.В. Новікова, Л.І. Заславська, О.О. Сдвижкова), форму залягання масиву (В.І. Пілюгін), зміну граничного напруженого стану покрівлі при переміщенні лави (Н.В. Хозяйкіна), тощо. Можна було б навести ще багато робіт щодо вирішення задач геомеханіки чисельними методами.

Однак, через розгляд у задачах про гірський тиск обмеженої області масиву навколо очисної виробки при будь-якому методі розв'язання (аналітичному або чисельному) визначувані напруження й деформації, а значить, і визначувані параметри системи розробки (очікуваний крок обвалення покрівлі, зусилля в гідростійках механізованого кріплення й швидкість переміщення лави на даній глибині) не узгоджуються зі зміщеннями й деформаціями земної поверхні.

У задачах про зсув гірських порід, навпаки, головну увагу приділено стану земної поверхні. Відомі аналітичні розв'язання отримані для областей з нескінченними межами, але на основі моделі однорідного середовища (роботи С.Г. Авершина, С.А. Батугіна, І.М. Бахуріна, Д.А. Казаковського, Р.А. Муллера, Є. Литвинишина, А. Салустовича, В. Будрика, В.І. М'якенького та ін.). Застосовуються також аналітико-експериментальні й графоаналітичні методи (роботи І.Г. Лисиці, Є.Г. Петрука, В.О. Назаренка, О.С. Кучина, В.М. Земисева, М.О. Иофіса, В.І. Черняєва, О.Л. Кульбаха, А.Н. Медянцева, Г. Кратча та ін.).

У будь-якому випадку показники деформації визначаються поза зв'язком з параметрами системи розробки й НДС порід на горизонті відробки пласта. Не досліджується вплив наносів, переважно розглядаються умови повної підробки. Із викладеного випливає необхідність вивчення процесу деформування й руйнування порід двошарового масиву "наноси-карбон" і земної поверхні на будь-якій стадії відпрацювання вугільного пласта, виходячи з єдиної розрахункової схеми.

Зазначеному питанню й присвячено дисертаційну роботу. Аналітичне розв'язання відповідної плоскої задачі геомеханіки, сформульованої із урахуванням існуючої математичної аналогії між зсувом гірських порід і теплопровідністю, отримано на основі розрахункової схеми, зображеної на рис. 1. Розглянуто гірничо-геологічні умови, типові для шахт Західного Донбасу. Розв'язувальне диференціальне рівняння щодо функції осідання , що являє собою по суті умову рівноваги, за формою збігається з диференціальним рівнянням теплопровідності і має вигляд:

. (1)

Граничні умови записуються у вигляді

, (2)

де максимальний прогин покрівлі в лаві;

потужність вугільного пласта;

визначається за даними шахтних спостережень;

швидкість опускання покрівлі в середньому перерізі лави;

швидкість переміщення очисного вибою;

розмір виробки;

час.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Розрахункова схема

Загальний розв'язок диференціального рівняння (1), отриманий методом Фур'є, являє собою функцію

. (3)

Частинний розв'язок , що відповідає умовам (2), виглядає як

, (4)

де .

Функції и , що характеризують жорсткість шарів масиву, визначаються за допомогою співвідношень

(5)

(6)

де .

Завдяки знайденій функції осідань (4) за допомогою відомих диференціальних співвідношень одержані аналітичні вирази нахилів, кривизни, горизонтальних зміщень і швидкості осідань у будь-якій точці досліджуваного масиву в який завгодно момент часу:

; (7)

; (8)

; (9)

(10)

Мінімізацією співвідношень (4) і (7) (10) отримані формули, за якими визначаються максимальні значення показників деформації земної поверхні. Для умов повної підробки вони мають вигляд

; (11)

; (12)

; (13)

; (14)

. (15)

Максимальні значення показників деформації, що визначаються за формулами (11) (15), не мають перевищувати допустимих величин, установлених нормативами для різних охоронюваних об'єктів.

Для одержання аналітичних співвідношень для напружень , і в будь-якій точці досліджуваного масиву в розглянутий момент часу деформації , і виражаються через функцію осідань та її похідні з урахуванням відомих співвідношень Коші, умови сумісності деформацій і вихідного диференціального рівняння (1). Отримані вирази підставляються в співвідношення закону Гука і за принципом суперпозиції підсумовуються з відповідними компонентами природного поля напружень. При цьому модулі пружності порід , з огляду на прийняту фізичну модель середовища, замінюються на модулі, що залежать від часу і визначаються за формулою

(16)

де функція повзучості;

, _ параметри повзучості породи.

У результаті маємо такі співвідношення:

; (17)

; (18)

, (19)

;

;

.

Для практичного використання отриманих аналітичних залежностей необхідно знати величини жорсткістних параметрів і шарів масиву, щоб визначити функції та за залежностями (5) і (6). У роботі ці параметри визначено шляхом рішення МГЕ плоскої задачі геомеханіки на основі розрахункової схеми рис. 2. За базові у розробленому розрахунковому алгоритмі використані співвідношення задачі С. Крауча для напівплощини, завдяки чому дискретизуються тільки внутрішні границі досліджуваної області масиву, а граничні умови на земній поверхні виконуються автоматично.

Параметр варіюється в розрахунках. Виходячи з типової для гірничо-геологічних умов шахт Західного Донбасу літологічної колонки, масиву почергово приписуються властивості тієї чи іншої породи, і щоразу розрахунок виконується до значень , що відповідають стану повної підробки. Після цього параметр відповідної породи визначається з умови

. (20)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Розрахункова схема щодо визначення жорсткості порід

Результати розрахунку для вугілля й уміщуючих порід, з урахуванням і без урахування повзучості у випадку H = 400 м і V = 60 м/міс наведені в таблиці.

Жорсткісні параметри вугілля й уміщуючих порід

Порода	Аргіліт	Алевроліт	Пісковик	Вугілля
	0,056	0,066	0,108	0,073
	0,236	0,257	0,329	0,270
	0,008	0,017	0,040	0,033
	0,088	0,130	0,200	0,181

У випадку двошарового середовища (рис. 1) жорсткісні параметри шару карбону встановлюються як середні значення за даними таблиці. З урахуванням і без урахування реологічних властивостей порід вони становлять = 0,137 і = 0,275.

Стосовно до гірничо-геологічних умов шахт Західного Донбасу за співвідношенням (10) побудовані епюри швидкості осідання в мульді на поверхні у випадку = 400 м; = 140 м; = 500 м, a = 0,04 для різних значень швидкості переміщення очисного вибою (рис. 3) і різних потужностей наносів (рис. 4).

Рис. 3. Швидкість осідання точок земної поверхні при різних : 1 = 80 м/міс; 2 = 60 м/міс; 3 = 30 м/міс

Рис. 4. Швидкість осідання точок земної поверхні при = 30 м/міс і різних : 1 = 0 м; 2 = 140 м; 3 = 250 м

Із наведених рисунків видно, що при зростанні швидкість осідання практично у всіх точках розглядаємого перерізу мульди помітно збільшується. При цьому збільшується в 2,7 раза при зростанні в 2,75 раза (рис. 3).

Що стосується параметра , то він суттєво впливає лише на величину , яка зростає в 1,2 раза при збільшенні в 1,78 раза (рис. 4).

Для тих самих умов за формулами (11) (15) знайдені максимальні значення показників деформації земної поверхні при повній підробці (у випадку = 400 м; = 140 м; = 500 м; V = 60 м/міс): = 1000 мм; = 40 мм; 1/м; = 8,5 мм/м; = 9 мм/доб. Виконано оцінку ступеня впливу реологічних властивостей порід на показники деформації земної поверхні. Встановлено, що осідання за рахунок повзучості зростають в 1,25 раза, максимальний горизонтальний зсув в 1,5 раза, максимальна кривизна в 2,5 раза, а максимальні нахили в 2,1 раза. Визначено тривалість процесу зрушення земної поверхні: при V = 80 м/міс початкова стадія зрушення становить 3,75 міс., активна стадія 5 міс., а стадія загасання 3,75 міс.

Максимальні значення, показників деформації, визначені за формулами (11) (15), не мають перевищувати припустимих величин, установлених нормативами для різних охоронюваних об'єктів. Тому для розглянутих гірничо-геологічних умов за допомогою цих формул складені таблиці максимальних значень нахилів, кривизн, деформацій , і швидкостей осідання в мульді на земній поверхні, які виникають в умовах повної підробки при таких вихідних даних: = 200…700 м, =50…240 м, = 40…150 м/міс.

Виконано порівняння отриманих розрахункових показників із нормативними допускними значеннями для деяких типів охоронюваних об'єктів при конкретних вихідних даних.

Окремий розділ роботи присвячений визначенню за допомогою залежностей (17) (19) напруженого стану двошарового масиву навколо очисної виробки і його аналізу.

Межі зон граничного напруженого стану (потенційного руйнування) установлювалися за критерієм П.П. Баландіна

(21)

На рис. 5 6 наведено епюри зміни напружень за координатою (у покрівлі виробки) у небезпечному перерізі , тобто над очисним вибоєм, для різних значень і двох значень швидкості переміщення очисного вибою V = 60 і 80 м/міс при = 4…5 м, = 12…15 м, на глибині = 400 м. геомеханіка вугілля видобуток

Рис. 5. Напруження у перерізі = при = 60 м/міс: 1 = 10 м; 2 = 15 м; 3 = 20 м

Рис. 6. Напруження у перерізі = при = 80 м/міс:1 = 10 м; 2 = 15 м; 3 = 20 м; 4 = 22 м

Вважаючи, що обвалення безпосередньої покрівлі відбувається, коли напруження , яке дорівнює граничному значенню = 30 МПа, пошириться на всю її потужність , а обвалення основної покрівлі, коли граничними напруженнями буде огорнена як мінімум третина потужності останньої, можна знайти очікувані кроки обвалення і . На рис. 5 і 6 вони помічені точками.

Із рис. 5 6, крім того, видно: тим більше, чим більший розмір виробки і чим менша швидкість переміщення лави V.

Розраховані значення кроку обвалення основної покрівлі при V = 30 м/міс і V = 60 м/міс не суперечать шахтним спостереженням. Відповідні значення при відпрацюванні пласта С₆ на шахті "Степова" становили = 16...17 м при V = 30 м/міс і =20...21 м при V = 60 м/міс.

Для розрахунку навантаження, діючого на механізоване кріплення в найнебезпечніший момент, коли можна чекати обвалення основної покрівлі, досліджувався напружений стан порід покрівлі навколо очисного вибою. Результати розрахунків у вигляді ізоліній напружень у покрівлі очисної виробки і в масиві перед вибоєм при V = 60 м/міс і а = 0,04 для глибин Н = 200, 400 і 600 м відповідно, показані на рис. 7 а), б) і в).

Рис. 7. Ізолінії напружень : а) при = 10 м, б) при = 20 м, в) при = 30 м

На розглянутих рисунках чітко видно контури зон граничного напруженого стану з рівнем напружень , що перевищують . За вагою порід у цих зонах визначалися навантаження, діючі на перекриття секції механізованого кріплення. Розрахунки показали, що в розглянутих гірничо-геологічних умовах кріплення МК-98 на глибині Н = 400 м при V = 60 м/міс працює нормально, що підтверджують і шахтні спостереження. Крім того, на основі аналізу напруженого стану порід навколо очисної виробки встановлено, що зі збільшенням Н у 3 рази (від 200 до 600 м) максимальна протяжність зони граничного напруженого стану збільшується в 2,14 раза у вертикальному напрямку (по осі ОУ) і в 2,25 раза у горизонтальному (по осі ОХ).

Установлені закономірності зміни НДС порід при розробці вугільного пласта механізованими комплексами лягли в основу розробленої методики визначення раціональних параметрів виймання вугілля під охоронюваними об'єктами. За допомогою цієї методики для гірничо-геологічних умов шахт Західного Донбасу знайдено діапазон значень швидкості переміщення очисного вибою на ділянці підробки ЛЕП, при яких кріплення на даній глибині працює ефективно. Для глибини Н = 300…350 м - раціональні V = 80…120 м/міс.

Для оцінки достовірності виконано порівняльний аналіз результатів аналітичного рішення з даними інструментальних вимірів, які проводилися в 1974 1977 роках на спостережних станціях, закладених співробітниками кафедри маркшейдерії ДГІ над гірничими роботами шахт "Степова" і "Ювілейна". В умовах повної підробки при збігу якісної картини кількісно осідання відрізняються на 12...17%, а нахили на 6...14%.

Крім того, з'ясувалося, що осідання в різних точках земної поверхні при повній підробці, отримані для ідентичних умов за нормативною методикою й за аналітичними співвідношеннями, відрізняються на 6...30 %, а кривизна й нахили на 5...12 %.

Вищевикладене свідчить про те, що на основі знайденого нового аналітичного рішення можна отримати достовірні кількісні оцінки й наочне уявлення про напружено-деформований стан усієї товщі порід і земної поверхні на будь-якій стадії розробки вугільного пласта.

Висновки

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій на основі вперше встановлених закономірностей зміни напружено-деформованого стану товщі порід і земної поверхні при відпрацюванні пологого вугільного пласта, вирішена актуальна науково-технічна задача обґрунтування раціональних технологічних параметрів виймання вугільного пласта під охоронюваними об'єктами і способів захисту останніх від шкідливого впливу гірничих робіт, що дозволяє забезпечити видобуток вугілля без заподіяння шкоди об'єктам на поверхні.

Основні наукові і практичні результати роботи:

1. З урахуванням існуючої математичної аналогії між зрушеннями гірських порід і теплопровідністю шляхом розв'язання методом Фур'є диференціального рівняння для двошарового підроблюваного масиву "наноси - карбон" отримані нові аналітичні співвідношення, що характеризують НДС у будь-якій точці породного масиву на якій завгодно стадії розробки вугільного пласта. На відміну від відомих, у них ураховується швидкість переміщення очисного вибою й реологічні властивості порід.

2. На основі МГЕ й моделі лінійно-спадкового середовища розроблений алгоритм чисельного рішення плоскої задачі геомеханіки і з його допомогою визначені жорсткістні параметри породних шарів підроблюваного масиву, які використані як вихідні дані при аналітичному рішенні.

Перевага розробленого алгоритму в тім, що за базові у ньому використані співвідношення задачі С. Крауча для напівплощини. Цим забезпечується автоматичне виконання граничних умов на зовнішньому контурі досліджуваної області масиву (на земній поверхні) і дискретизації зазнають лише внутрішні контури.

3. Отримані формули для розрахунку максимальних показників деформації земної поверхні з метою порівняння з нормативними значеннями, установленими галузевими стандартами стосовно різних охоронюваних об'єктів.

4. Встановлені закономірності зміни деформованого стану земної поверхні в процесі посування очисного вибою; для гірничо-геологічних умов шахт Західного Донбасу визначені показники деформації земної поверхні в умовах неповної й повної підробки, оцінений ступінь впливу на них глибини розробки Н, потужності наносів h, швидкості переміщення лави V і реологічних властивостей порід.

5. Визначено й проаналізовано НДС порід на горизонті відробки вугільного пласта, досліджено вплив глибини розробки та швидкості переміщення очисного вибою на величину напружень і характер їхнього розподілу навколо очисної виробки.

6. Розроблена методика визначення раціональних параметрів виймання вугілля під охоронюваними об'єктами. Методика передана для використання в ВАТ "Павлоградвугілля" і ДВАТ "Дніпродіпрошахт".

7. Рекомендаціями стосовно визначення параметрів обвалення покрівлі лави, зусиль у гідростійках механізованого кріплення і швидкості посування очисного вибою користуються у технічному відділі шахти "Степова" при розробці заходів щодо забезпечення надійної роботи очисного устаткування в лаві та захисту охоронюваних об'єктів. Очікуваний економічний ефект від упровадження рекомендацій відносно швидкості переміщення очисного вибою при вийманні запасів пласта С₆¹ шахти "Степова" лавами № 202-біс і № 204-біс на ділянках підробки лінії електропередачі ВЛ 10кВ та підвідного газопроводу високого тиску становить 539 700 грн.

Основні положення і результати дисертації опубліковані в наступних роботах

1. Yavorsky A. Definition of stiffness coefficient of undermined non-uniform stratified massif / Novikova L., Zaslavskaya L., Yavorsky A. // Scientific Bulletin of NMU. - 2006. № 5. - p. 32 _ 35.

2. Яворский А.В. Оценка жесткости вмещающих пород слоистого массива / Новикова Л.В., Заславская Л.И., Яворский А.В. // Науковий вісник НГУ. 2006. № 9. С. 7 - 8.

3. Яворский А.В. Влияние скорости подвигания фронта очистных работ на скорость оседания слоистого породного массива / Яворский А.В. // Геотехнічна механіка; Дніпропетровськ / ІГТМ ім. М.С. Полякова НАН України; 2006. - Вип. 65. - С. 178 - 183.

4. Яворский А.В. Определение деформаций земной поверхности подрабатываемого массива методом граничных элементов / Новикова Л.В., Заславская Л.И., Яворский А.В. // Проблеми гірського тиску, Донецьк: ДонНТУ, 2006. Вип. 14. - С. 222 _ 231.

5. Яворский А.В. Анализ напряженного состояния подрабатываемого массива и определение нагрузки, действующей на механизированную крепь / Новикова Л.В., Заславская Л.И., Яворский А.В. // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2007. №3/5(27). С. 38 44.

6. Яворский А.В. Расчет деформаций земной поверхности, обусловленных подземными горными работами / Новикова Л.В., Заславская Л.И., Яворский А.В. // Матеріали міжнар. конф. "Форум гірників 2005". Дніпропетровськ: РВК НГУ, 2005. т. 3 - С. 198 - 200.

7. Яворский А.В. Определение деформаций земной поверхности на основе модели двухслойной среды / Новикова Л.В., Заславская Л.И., Яворский А.В. // Матеріали міжнар. конф. "Форум гірників 2006". Дніпропетровськ: РВК НГУ, 2006. С. 106 112.

8. Яворский А.В. Напряженно-деформированное состояние двухслойного подрабатываемого массива / Новикова Л.В., Заславская Л.И., Яворский А.В. // Матеріали міжнар. наук.-практ. конференції "Школа підземної розробки", Дніпропетровськ, НГУ, 2007. С. 358 368.

9. Яворский А.В. Определение перемещений подрабатываемого массива с учетом скорости перемещения очистного забоя / Новикова Л.В., Заславская Л.И., Яворский А.В. // Матеріали міжнар. конф. "Форум гірників - 2007". - Дніпропетровськ: РВК НГУ, 2007. ч. 1. С. 63 67.

10. Яворский А.В. Связь между оседаниями земной поверхности и напряжениями в двухслойном подрабатываемом массиве / Новикова Л.В., Заславская Л.И., Яворский А.В. // Тези доповідей Міжнар. наук.-техніч. конф. пам'яті академіка НАН України В.І. Моссаковського. - Д.: ДНУ, 2007. С. 349 350.

11. Яворський А.В. Напружено-деформований стан товщі порід і земної поверхні підроблюваного двошарового масиву "наноси-карбон" / Новикова Л.В., Заславська Л.І., Яворський А.В. // Матеріали міжнар. конф. "Форум гірників - 2008". Дніпропетровськ: РВК НГУ, 2008. ч. 2. С. 119 130.

Анотація

Яворський А.В. "Закономірності зміни напружено-деформованого стану породного масиву при відпрацюванні пологого вугільного пласта під охоронюваними об'єктами". Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.09 - "Геотехнічна і гірнича механіка". Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2008.

З урахуванням існуючої математичної аналогії між зрушенням гірських порід і теплопровідністю шляхом розв'язання методом Фур'є диференціального рівняння для двошарового масиву "наноси - карбон" отримані нові аналітичні співвідношення, що характеризують напружено-деформований стан у будь-якій точці породного масиву і земної поверхні на якій завгодно стадії розробки вугільного пласта. На відміну від відомих, у цих співвідношеннях ураховані швидкість переміщення очисного вибою та реологічні властивості порід. Жорсткістні параметри породних шарів визначені методом граничних елементів за допомогою розробленого розрахункового алгоритму. В алгоритмі використані співвідношення задачі С. Крауча для напівплощини, завдяки чому граничні умови на зовнішньому контурі досліджуваної області масиву (на земній поверхні) виконуються автоматично й дискретизуються лише внутрішні контури. За допомогою отриманих аналітичних співвідношень для гірничо-геологічних умов шахт Західного Донбасу визначені показники деформації земної поверхні в умовах неповної і повної підробки і проаналізований напружено-деформований стан порід на горизонті відробки вугільного пласту. Отримані формули для розрахунку максимальних показників деформації земної поверхні. На основі встановлених закономірностей зміни напружено-деформованого стану масиву при відпрацюванні вугільного пласта в гірничо-геологічних умовах шахт Західного Донбасу розроблена методика визначення раціональних параметрів виймання вугілля під охоронюваними об'єктами.

Ключові слова: метод Фур'є, показники деформації, земна поверхня, напружено-деформований стан, товща "наноси-карбон", параметри виймання вугілля, охоронювані об'єкти.

Аннотация

Яворский А.В. "Закономерности изменения напряженно-деформированного состояния породного массива при отработке пологого угольного пласта под охраняемыми объектами". - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.09 - "Геотехническая и горная механика". Национальный горный университет, Днепропетровск, 2008.

С учетом существующей математической аналогии между сдвижениями горных пород и теплопроводностью путем решения методом Фурье дифференциального уравнения для двухслойного подрабатываемого массива "наносы-карбон" получены новые аналитические соотношения, характеризующие напряженно-деформированное состояние в любой точке породного массива и земной поверхности на любой стадии разработки угольного пласта. В отличие от известных, в этих соотношениях учтены скорость перемещения очистного забоя и реологические свойства пород. Входящие в разрешающее дифференциальное уравнение жесткостные параметры породных слоев определены МГЭ с помощью разработанного расчетного алгоритма. В алгоритме использованы соотношения задачи С. Круча для полуплоскости, благодаря чему граничные условия на внешнем контуре исследуемой области массива (на земной поверхности) выполняются автоматически и дискретизируются только внутренние контуры.

Получены формулы для расчета максимальных показателей деформации земной поверхности, которые необходимо сравнивать с нормативными допустимыми значениями при определении рациональных параметров выемки угольных пластов и разработке, в случае необходимости, мер защиты охраняемых объектов.

С помощью полученных аналитических соотношений для горно-геологических условий шахт Западного Донбасса определены показатели деформации земной поверхности в условиях неполной и полной подработки, а также проанализировано НДС пород на горизонте разрабатываемого угольного пласта. Выполнено сравнение результатов теоретических исследований с результатами шахтных наблюдений за проявлениями горного давления, с данными маркшейдерских замеров, а также с данными, полученными для идентичных условий по нормативной методике.

На основе установленных закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния массива при отработке угольного пласта в горно-геологических условиях шахт Западного Донбасса разработана методика определения рациональных параметров выемки угля под охраняемыми объектами. Рекомендации по определению параметров обрушения кровли в лаве, усилий в гидростойках механизированной крепи и скорости перемещения очистного забоя используются в техническом отделе шахты "Степная" при разработке мероприятий по обеспечению надежной работы очистного оборудования в лаве и по защите охраняемых объектов.

Ключевые слова: метод Фурье, показатели деформации, земная поверхность, напряженно-деформированное состояние, толща "наносы-карбон", параметры выемки угля, охраняемые объекты.

The summary

Yavorskiy A.V. "The laws of change of the stressed-deformed condition in rock mass at mining flat seam under surface objects". - Manuscript.

Dissertation on obtaining of scientific degree of the Candidate of Technical Science. Speciality 05.15.09. - "Geotechnical and mining mechanics"». National Mining University, Dnepropetrovsk, 2008.

With the account of existent mathematical analogy between the change of massif and heat conductivity by a solution the Fur'e method of differential equalization for a two layer rock mass "alluviums - carbon", new analytical correlations which characterize the stressed-deformed condition of any point of rock mass and earthly surface on any stage of coal mining are obtained. Speed of moving of wall face and reological properties of rocks are taken into account. Included the differential equation of hardness parameters of rock mass are certain MBE by the developed calculation algorithm. In the algorithm the correlations of task of S. Crouch are used for semi-peate, due to which maximum terms on the external contour of the probed area of rock mass (earthly surface) are executed automatically and discretisation only internal contours. By the obtained analytical correlations for the geological conditions of mines in Western Donbass certain indexes of deformations of earthly surface in incomplete and complete extraction and the stressed-deformed condition of rocks are analyzed on the coal seam horizon. Formulas are obtained for the calculation of maximal indexes of deformation of earthly surface.

Keywords: method of Fur'e, indexes of deformation, earthly surface, stressed-deformed condition, rock mass "alluviums - carbon", parameters of mining of coal, surface objects.

Размещено на Allbest.ru

...