Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 622.28:622.257.14

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Обґрунтування параметрів охоронних конструкцій виїмкових штреків для їх повторного використання

Спеціальність: 05.15.02 - Підземна розробка родовищ корисних копалин

КОВАЛЬ Олександр Іванович

Дніпропетровськ-2008

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри підземної розробки родовищ Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

БОНДАРЕНКО Володимир Ілліч

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, завідувач відділу

гірничої аерогазодинаміки, вчений секретар Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України (м. Дніпропетровськ)

ПЕРЕПЕЛИЦЯ Валентин Григорович

кандидат технічних наук, заступник технічного директора ВАТ «Палоградвугілля» (м. Павлоград)

ЧЕРВАТЮК Віктор Григорович

Захист відбудеться «_18_» _квітня_ 2008 р. о _14-15_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03 із захисту дисертацій при

Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки

України за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К.Маркса,19,

тел.(0562)47-24-11

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України.

Автореферат розісланий «_12_» _березня__ 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03,

кандидат технічних наук, доцентВ.І. Тимощук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. У світовій практиці до кінця ХХ сторіччя намітилася стійка тенденція збільшення видобутку вугілля, що пов'язано, на думку експертів, з інтенсивним виснаженням запасів нафти й газу. Становище вугілля в балансі запасів первинних джерел органічної сировини в Україні більш домінуюче - 97,4%, решту 2,6% займає нафта й газ. Тому завдання забезпечення високоефективної й надійної роботи вугільних шахт досить актуальне та вимагає якнайшвидшого вирішення. Основним етапом реалізації даного завдання є забезпечення належної стійкості виїмкових виробок (у тому числі й при їх повторному використанні) для безперебійної роботи очисних вибоїв. Очевидно, найбільш ефективне ресурсозбереження повинне здійснюватися за допомогою керування геомеханічними процесами навколо виїмкового штреку в напрямку обмеження негативного впливу гірського тиску й тим самим підвищення стійкості підготовчої виробки. Це керування необхідно виконувати малозатратними технологіями регулювання параметрів кріплення й охорони гірничих виробок відповідно до характеру проявів гірського тиску з одночасним забезпеченням високого ступеня механізації даних виробничих процесів.

Тому, безумовно, актуальним є комплекс досліджень, спрямований на наукове обґрунтування важливого народногосподарського завдання з забезпечення ресурсозберігаючих умов повторного використання виїмкових виробок при відпрацюванні пологих вугільних пластів, наприклад, Західного Донбасу на базі оптимізації й вибору параметрів охоронної литої смуги з розвантажувальною порожниною регульованої геометрії при механізованому способі її зведення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами й темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі підземної розробки родовищ Національного гірничого університету відповідно до «Положення концепції наукової, науково-технічної та інноваційної політики в системі вищої освіти України», ухваленого колегією Міністерства від 28 березня 2001 року та плану держбюджетних робіт Міністерства освіти і науки України: тема ГП-380 «Геомеханічні основи механізованих процесів керування стійкістю підготовчих виробок при безціликовому вийманні вугільних пластів», (№ держреєстрації 0105U000500); тема ГП-391 «Наукові основи прогнозу стійкості виробок у дрібношаруватому масиві з урахуванням прогресивних систем розробки», (№ держреєстрації 0107U000375), які відповідають координаційному плану Міністерства освіти і науки України №39 фундаментального напряму «Гірничі науки».

Мета роботи - забезпечення ресурсозберігаючих умов повторного використання виїмкової виробки шляхом керування геомеханічними процесами навколо неї охоронною литою смугою з регульованою розвантажувальною порожниною. Дана взаємозалежна й взаємовпливна геомеханічна структура названа системою «породний масив-виїмковий штрек-лита смуга».

Для досягнення поставленої мети в роботі сформульований і вирішений комплекс завдань дослідження процесів зрушення вуглевмісної породної товщі робочих пластів Західного Донбасу навколо виїмкового штреку, що охороняється литою смугою з розвантажувальною порожниною:

1. Обґрунтування геомеханічної моделі взаємодії елементів системи «породний масив-виїмковий штрек-лита смуга» для умов вугільних пластів Західного Донбасу.

2. Дослідження закономірностей впливу геомеханічних параметрів системи на напружено-деформований стан (НДС) її елементів.

3. Встановлення закономірностей зв'язку НДС системи з регульованими параметрами литої смуги з розвантажувальною порожниною.

4. Обґрунтування критеріїв оптимізації НДС системи й розробка інженерної методики вибору параметрів охоронної литої смуги з розвантажувальною порожниною.

Поставлена мета й завдання досліджень реалізовані керуючись основною ідеєю роботи - керування НДС системи «породний масив-виїмковий штрек-лита смуга» шляхом регулювання параметрами литої смуги з розвантажувальною порожниною.

Об'єкт дослідження - геомеханічні процеси в системі, що включає шарувату вуглевмісну породну товщу в крайовій частині пласта, знеміцнену область безпосередньої покрівлі навколо виїмкового штреку, його рамне кріплення та литу охоронну смугу з розвантажувальною порожниною.

Предмет дослідження - силова взаємодія елементів геомеханічної системи при регулюванні параметрів охоронної литої смуги з розвантажувальною порожниною.

Методи дослідження. Поставлена мета досягнута на основі комплексного підходу, що включає: аналіз і узагальнення сучасних досліджень процесів зрушення вуглевмісної породної товщі навколо виїмкового штреку; аналітичні дослідження НДС системи «породний масив-виїмковий штрек-лита смуга» з використанням сучасного комплексу комп'ютерних програм і додатків методу кінцевих елементів; методи кореляційно-дисперсійного аналізу результатів розрахунків для обґрунтування практичних рекомендацій.

Наукові положення, що захищаються у дисертації:

1. Діапазон коливань максимумів наведених напружень у литій смузі з урахуванням неоднорідності шаруватої вуглевмісної породної товщі вугільних пластів досягає до 3,2 , у породній бермі - 2,5 , в рамному кріпленні на різних ділянках його контуру - 1,4...3,4 . Разом з тим відбувається зміна в 2,0...3,5 рази залежно від розмірів і деформаційних характеристик області знеміцнених порід навколо виїмкового штреку. Урахування виявлених фактів дозволяє більш вірогідно прогнозувати стійкість виїмкових штреків. виїмковий вуглевмісний пласт порожнина

2. Регулювання параметрів охоронної литої смуги (в інтервалах: загальна ширина 1 м ? ? 3 м, відносна ширина розвантажувальної порожнини , висота розвантажувальної порожнини 0,1 м ? ? 0,3 м) забезпечує діапазон керування максимумами наведених напружень до 2,8 разів у литій смузі, до 5,9 разів у породній бермі та до 2,0...4,5 разів у рамному кріпленні по всьому його контуру. Це дозволяє знизити навантаження на перераховані елементи, що забезпечують підвищення стійкості виїмкового штреку в 1,5...2,5 рази, незалежно від геомеханічних умов його підтримки.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Уперше обґрунтована геомеханічна модель системи «породний масив-виїмковий штрек-лита смуга», що відрізняється від відомих урахуванням чотирьох пріоритетних факторів: принципом спільності переміщень всіх складових елементів системи; експериментально встановленим ефектом проковзування відносно один одного породних шарів надвугільної товщі в крайовій частині пласта; експериментально встановлених закономірностей зміни деформаційних характеристик за потужністю знеміцнених порід безпосередньої покрівлі; ефекту розвантаження елементів системи за рахунок особливостей конструкції литої смуги, що вміщує регульовану розвантажувальну порожнину.

2. Уперше сформульовані критерії оптимізації системи «породний масив-виїмковий штрек-лита смуга», на основі яких встановлені взаємозв'язки механічних і геометричних параметрів литої смуги, породної берми й рамного кріплення, що забезпечують максимальну стійкість виїмкового штреку.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій обумовлені: коректною постановкою завдань і використанням для обґрунтування геомеханічної моделі результатів шахтних і лабораторних експериментів з вивчення процесів зрушення вуглевмісного шаруватого породного масиву навколо виїмкового штреку; застосуванням сучасних комп'ютерних програм і додатків методу кінцевих елементів для аналітичних досліджень НДС системи з похибкою до 1%; застосуванням методів кореляційно-дисперсійного аналізу результатів розрахунку з контролем довірчого інтервалу в межах ±10% від середніх значень.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей зв'язку НДС системи «породний масив-виїмковий штрек-лита смуга» з геомеханічними факторами підтримки виїмкового штреку й геометричними параметрами литої смуги з розвантажувальною порожниною; розробці комплексу критеріїв оптимізації НДС системи за допомогою регулювання параметрів литої смуги з розвантажувальною порожниною.

Практичне значення роботи полягає в обґрунтуванні геомеханічної моделі взаємодії елементів системи «породний масив-виїмковий штрек-лита смуга» для вугільних пластів Західного Донбасу; розробці інженерної методики вибору раціональних параметрів охоронної литої смуги з розвантажувальною порожниною, що забезпечують ресурсозберігаючі умови повторного використання виїмкового штреку.

Реалізація результатів роботи. Основні положення роботи використані при створенні: інженерної методики розрахунку параметрів охоронної литої смуги з розвантажувальною порожниною; робочої документації охорони повторно використовуваних виїмкових штреків на шахтах ВАТ «Павлоградвугілля»; технічних вимог на розробку проектної документації механізованого кріплення-опалубки для зведення литої смуги з розвантажувальною порожниною.

Особистий внесок здобувача полягає в аналізі й узагальненні сучасних досліджень процесів зрушення вуглевмісної шаруватої породної товщі навколо виїмкового штреку; формулюванні мети й ідеї роботи, постановці завдань досліджень; обґрунтуванні геомеханічної моделі взаємодії системи «породний масив-виїмковий штрек-лита смуга», розрахунку й оптимізації її НДС при регулюванні параметрів охоронної литої смуги з розвантажувальною порожниною; розробці інженерної методики вибору раціональних параметрів охоронної литої смуги з розвантажувальною порожниною.

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертації доповідалися й обговорювалися на міжнародних конференціях «Форум гірників-2006», «Форум гірників-2007» (Дніпропетровськ, 2006, 2007), «Школі підземної розробки» (Ялта, 2007) і Szkola Ekspluatacji Podziemnej (Краков-Щирк, 2007), технічних радах ВАТ «Павлоградвугілля», ДП «Свердловантрацит» і наукових семінарах НГУ (2006-2008).

Публікації. Основні наукові положення й результати дисертаційної роботи викладені в монографії, брошурі, 8 статтях у науково-технічних журналах й 3 доповідях у матеріалах міжнародних конференцій.

Обсяг і структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, висновку, списку використаних джерел із 118 найменувань на 11 сторінках; містить 111 сторінок машинописного тексту, 50 рисунків на 50 сторінках, 2 таблиці й додатки на 15 сторінках; загальний обсяг роботи - 187 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Забезпечення умов повторного використання виїмкових штреків малозатратними технологіями є пріоритетним завданням не тільки в плані прискорення відтворення фронту очисних робіт на вугільних шахтах, але й істотного ресурсозбереження при їх проведенні, кріпленні й підтримці.

У вивчення процесів зрушення вуглевмісної породної товщі навколо виїмкових виробок, розробку способів і засобів їх кріплення й охорони внесли значний вклад багато вітчизняних і закордонних учених і фахівців: Бондаренко В. І., Байсаров Л. В., Бузило В. І., Булат А. Ф., Виноградов В. В., Грядущий Ю. Б., Зборщик М. П., Ільяшов М. А., Ковалевська І. А., Колоколов О. В., Кузьменко О. М., Куклін В. Ю., Лозовський С. П., Назимко В. В., Перепелиця В. Г., Полтавець В.І., Савостьянов О. В., Симанович Г. А., Халимендик Ю. М., Ширін Л.Н. та ін.

Сучасні уявлення про механізм зрушення шаруватої вуглевмісної товщі порід навколо виїмкового штреку однозначно вказують на важливу роль способу охорони штреку в плані підтримки його в експлуатаційному стані з перспективою повторного використання. Проаналізувавши геомеханічні аспекти роботи існуючих охоронних конструкцій, вибір зроблений на користь охоронної литої смуги з регульованою розвантажувальною порожниною, що найбільшою мірою відповідає вимогам ресурсозберігаючого забезпечення стійкого стану виїмкового штреку: безпосередній контакт із рамним кріпленням для запобігання вигину її стояка; розвантаження приконтурних порід здійснюється винятково за рахунок розвантажувальної порожнини без штучного ослаблення міцнісних властивостей приштрекової частини смуги; опорна й розвантажувальна частини смуги працюють без руйнування й деформуються як єдина конструкція, що підвищує стійкість породної берми штреку. У даній конструкції є низка геометричних параметрів (ширина смуги , ширина розвантажувальної порожнини , функція зміни її висоти за шириною смуги), які регулюються відповідно до гірничо-геологічної ситуації підтримки виїмкового штреку; можливість повної механізації робіт зі зведення смуги. Послідовність і взаємозв'язок виконання досліджень найбільш повно відображає структурно-логічна схема реалізації мети й основних завдань дисертації, сформульованих у характеристиці роботи (рис. 1).

Аналіз сучасних досліджень геомеханічних процесів навколо виїмкового штреку дозволив їх змоделювати в принципово новій п'ятиелементній схемі (рис. 2), що вміщує: I - шарувату надвугільну товщу в межах зони шарнірно-блокового зрушення (12...15 потужностей вугільного пласта) і перший породний шар зони плавного опускання без розриву суцільності; II - зону безладного обвалювання безпосередньої шаруватої покрівлі (3...6 потужностей вугільного пласта); ІІІ - охоронну литу смугу з розвантажувальною порожниною регульованої геометрії; IV - рамне кріплення штреку з міжрамною огорожею і забутованим закріпним простором;

V - крайову частину шаруватої вуглевмісної товщі з боку суміжної виїмкової ділянки. Створена на цій основі геомеханічна модель задовольняє основним вимогам (узагальнюючих існуючі шахтні й лабораторні дослідження) з підвищення вірогідності опису реальних процесів зрушення вуглевмісного масиву вугільних пластів Західного Донбасу: моделювання шаруватої вуглевмісної товщі змінної потужності й деформаційних характеристик породних шарів, що її складають; проковзування породних шарів навколо крайової частини вугільного пласта; зміна механічних характеристик за потужністю зони безладного обвалювання; оцінка стійкості породної берми; умова спільності переміщень всіх елементів геомеханічної системи; змінна геометрія охоронної литої смуги. У зв'язку з надзвичайною складністю такої геомеханічної моделі розрахунок її НДС виконаний методом кінцевих елементів за допомогою сучасних комп'ютерних програм і їх додатків: побудова варіантів моделей - програма SolidWorks 2005, розрахунок НДС у пружній постановці - додаток Cosmos-Works, розрахунок НДС у пружно-пластичній постановці - додаток Desain Star, урахування анізотропії матеріалів - програма Cosmos-M. Тестові розрахунки моделі підтвердили основні особливості проявів гірського тиску навколо виїмкового штреку, які встановлені при моделюванні на еквівалентних матеріалах і спостережувані в шахтних умовах.

Наступним етапом досліджень було обґрунтування геомеханічних і гірничотехнічних параметрів моделі на предмет оцінки ступеня їхнього впливу на НДС системи «породний масив-виїмковий штрек-лита смуга» у діапазоні зміни, характерному для вугільних пластів Західного Донбасу: структури й механічних характеристик вуглевмісної товщі порід аж до першого породного шару зони плавного прогину без порушення суцільності включно; потужності й деформаційних характеристик порід зони безладного обвалювання й ширини області знеміцнених порід з боку суміжної виїмкової ділянки; потужності, механічних характеристик і кута падіння вугільного пласта; геометричних параметрів кріплення виїмкового штреку та його розташування щодо вугільного пласта (верхнє й нижнє підривання), геометричних і механічних параметрів литої смуги з розвантажувальною порожниною. У результаті побудована й обґрунтована узагальнена геомеханічна модель системи для умов вугільних пластів Західного Донбасу, в якій частина змінних параметрів прийнята з усередненими значеннями, якщо діапазон коливань максимумів наведених напружень у всіх елементах системи не перевищує 10% (допустимої похибки при гірничотехнічних розрахунках), або введені поправочні коефіцієнти, якщо відхилення перевищують 10%. Тут під величиною наведеного напруження розуміється відповідно до теорії міцності Кулона-Мора

,(1)

де й - головні максимальний і мінімальний компоненти напружень;

- кут внутрішнього тертя матеріалу (для сталі Ст5 рамного кріплення приймається ).

У результаті розрахунків установлений істотний вплив (до декількох сотень відсотків) на НДС системи «породний масив-виїмковий штрек-лита смуга» (крім глибини розробки Н) трьох груп факторів: модулів деформації ( = 1; 2; 3; 4; поч., I, II ) породних шарів вуглевмісної товщі; розмірів () і деформаційних характеристик ( і ; 1; 2; 3) знеміцнених порід навколо виїмкового штреку ( - коефіцієнт Пуассона); геометричних параметрів (, , ) охоронної литої смуги з розвантажувальною порожниною. Тому наступні етапи досліджень присвячені виявленню закономірностей впливу на НДС елементів системи перерахованих вище факторів.

Для встановлення залежностей (за величиною яких проводиться подальший міцнісний розрахунок) в елементах системи від параметрів і було виконано й проаналізовано низку розрахунків, результати яких зводяться до наступного.

Охоронна лита смуга. Навантаження на смугу більшою мірою визначається співвідношенням модулів деформації породних шарів безпосередньої й основної покрівлі: чим вище твердість породних шарів основної покрівлі стосовно шарів безпосередньої покрівлі , тим нижче деформації прогину основної покрівлі й навантаження на обвалені породи розподіляється більш рівномірно зі зниженням величини опорного тиску на литу смугу. Залежно від співвідношення й максимум наведених напружень у литій смузі змінюється до 3,2 разів. Також співвідношення й впливає на динаміку росту зі збільшенням глибини розробки (рис. 3, а): при однорідній шаруватій вуглевмісній товщі спостерігається лінійний зв'язок і Н; при - ступеневий зв'язок зі зниженою інтенсивністю росту; при - ступеневий з підвищеною інтенсивністю росту. Примітним є факт «глибокого» розвантаження прилягаючих до рами елементів системи за рахунок конструктивних особливостей литої смуги з розвантажувальною порожниною: у порівнянні з опорною частиною смуги знижується в 2,4...6,3 рази вже при м, тоді як при охороні штреку, наприклад, подвійною бутовою смугою, за даними А. М. Симановича, ця величина становить 1,5...2 рази.

Породна берма. Наведені напруження в породній бермі багато в чому визначаються навантаженням на литу смугу, тому тенденції зв'язку максимумів з геомеханічними параметрами системи почасти схожі з такими для литої смуги (діапазон зміни до 2,5 разів), але присутня низка відмінностей: по-перше, чим твердіші () породи ґрунту пласта, тим більше (при одній і тій же деформації) напружень в породній бермі, що є частиною ґрунту; по-друге, більш тверді шари безпосередньої покрівлі створюють підвищену концентрацію НДС в опорній зоні з боку суміжної виїмкової ділянки, що провокує підвищений НДС і у породній бермі. Також відрізняється зв'язок з Н, стабільно близький до лінійного (див. рис. 3, б) через сталість місця розташування максимуму в районі стояка рамного кріплення.

Рамне кріплення. Виявлена достатня стабільність розташування максимумів наведених напружень по контуру рами незалежно від геомеханічних параметрів системи: - замок склепіння рами; - район опори стояка рами з боку виробленого простору на висоті 0,2…0,5 м від ґрунту; - район замка з'єднання стояка й верхняка рами з боку виробленого простору на висоті 2,0…2,2 м від ґрунту; - район п'яти склепіння з боку суміжної виїмкової ділянки на висоті 1,2...1,4 м від ґрунту; - район прямолінійної частини стояка з боку суміжної виїмкової ділянки на висоті 0,7...0,9 м від ґрунту. Залежно від сполучення геомеханічних факторів і параметрів литої смуги найбільша величина максимуму може діяти в кожній з п'яти відзначених ділянок контуру рами, але тенденції зв'язку ( = 1,…,5) з глибиною розробки Н досить постійні (див. рис. 3, в): по-перше, певна нелінійність функцій (Н) обумовлена

№1 - МПа; №11 - МПа, МПа;

№12 - МПа, МПа; №15 - МПа,

МПа; №16 - МПа, МПа; №19 - МПа

тим, що з ростом Н у формування навантаження на кріплення утягуються все більш великі області вуглевмісної товщі; по-друге, при підвищеній твердості породних шарів основної покрівлі знижуються деформації їхнього прогину над виробкою і формується знижене навантаження на кріплення; по-третє, підвищена твердість безпосередньої покрівлі й ґрунту більш інтенсивно обмежує переміщення основної покрівлі і знижує навантаження на кріплення. Параметри змінюють до 1,4...3,4 раз на різних ділянках контуру рами.

Для встановлення залежностей в елементах системи від параметрів , і зони знеміцнених порід навколо виїмкового штреку за різноманітними розрахунками отримані наступні результати. Загальною закономірністю для литої смуги, породної берми й рамного кріплення є передача (від основної покрівлі) навантаження, зниженої за величиною й більш рівномірно розподіленої, за рахунок посилення демпфувального ефекту при зменшенні модуля деформації знеміцнених порід. Ріст розмірів і цієї області збільшує навантаження на литу смугу й, відповідно, породну берму, що також викликає ріст у районі опори стояка рами. Інші максимуми по контуру рами зменшуються, тому що росте зона розвантаження, в якій розташовується виїмковий штрек. У цілому, максимуми наведених напружень у всіх перерахованих елементах системи, що визначають стійкість виїмкового штреку, змінюються в діапазоні до 2,0...3,5 разів залежно від параметрів зони знеміцнених порід, що порівнянно із впливом глибини розробки.

Третьою групою досліджень закономірностей зв'язку максимумів наведених напружень (у литій смузі, породній бермі й рамному кріпленні) з геометричними параметрами , і литої смуги встановлене наступне. Першою загальною рисою досліджуваних тенденцій є стабільність функцій (, , ) поза залежністю від геомеханічних факторів системи. Друга загальна риса вказує на нелінійне зниження в перерахованих елементах системи при збільшенні ширини охоронної смуги, що пояснюється її нерівномірним навантаженням спускними породними шарами основної покрівлі. Вплив геометрії розвантажувальної порожнини має різні тенденції на елементи системи.

Для більшої інформативності графічної ілюстрації функцій (, , ) на рис. 4 наведені відношення максимуму при поточному сполученні параметрів , , до абсолютного максимуму при деякому граничному сполученні параметрів литої смуги. У литій смузі зі збільшенням розмірів розвантажувальної порожнини частина навантаження передається на опорну область смуги, що викликає ріст . За рахунок регулювання параметрів литої смуги (в інтервалі 1 м ?м; ; 0,1 м 0,3 м) можна змінювати максимум наведених напружень до 2,8 разів. У породній бермі спостерігається зворотний ефект, коли при збільшенні й максимум наведених напружень різко падає, що пояснюється наступними причинами. Максимум розташовується, як правило, у ближній до стояка рами області. Тут певною мірою простежується аналогія з класичною теорією П.М. Цимбаревича про формування призм сповзання в боках виробки. Тому утворення над призмою сповзання розвантажувальної порожнини призводить до інтенсивного зниження навантаження на найбільш нестійку частину породної берми, прилеглої до виробки. У сукупності геометричні параметри литої смуги здатні змінити максимум наведених напружень у породній бермі до 5,9 разів.

У рамному кріпленні за закономірностями впливу параметрів і п'ять виділених максимумів розділяються на дві групи: - закономірність, аналогічна литій смузі; (2; 3; 4; 5) - закономірність, аналогічна породній бермі. У цілому, надається можливість регулювати всі п'ять максимумів до 2,0...4,5 разів.

Отримані в роботі рівняння регресії для розрахунку максимальних наведених напружень у литій смузі, породній бермі й рамному кріпленні в авторефераті не наведені у зв'язку з обмеженням обсягу.

У такий спосіб доведено, що регулюванням параметрів литої смуги з розвантажувальною порожниною можна управляти в широкому діапазоні НДС елементів системи, що визначають стійкий стан виїмкового штреку. При цьому діапазон керування порівняний з інтервалом впливу геомеханічних факторів на стан елементів системи «породний масив-виїмковий штрек-лита смуга».

За виявленими за допомогою кореляційно-дисперсійного аналізу закономірностями зв'язку максимумів наведених напружень (у литій смузі, породній бермі, рамному кріпленні) з геомеханічними факторами й параметрами смуги надана оптимізація регульованих геометричних параметрів охоронної литої смуги за критеріями стійкого стану основних елементів системи

, , , (2)

де , і - відповідно розрахункова межа міцності на стиск матеріалу литої смуги, порід безпосереднього ґрунту пласта й межа текучості матеріалу рамного кріплення.

Виконаний комплекс розрахунків показав, що регулювання геометричних параметрів охоронної литої смуги (у діапазоні м,

= 0,4…0,6; м) істотно знижує навантаження на рамне кріплення, литу смугу й породну берму, що дозволяє підвищити стійкість виїмкового штреку в 1,5...2 рази. При цьому цілісний стан литої смуги забезпечують суміші, що твердіють, які підбираються за необхідною міцністю на стиск за умовою (3)

Тут геометричні параметри підставляють в метрах, а деформаційні характеристики - у МПа.

Як правило, на глибинах розробки до 600...800 м необхідна міцність на стиск матеріалу литої смуги не перевищує 15...20 МПа, що не викликає утруднень при дозуванні складів сумішей, що твердіють, з різними типами в'язких матеріалів.

За результатами досліджень розроблена методика вибору раціональних параметрів охоронної литої смуги з розвантажувальною порожниною, яка прийнята до використання в робочій документації охорони виїмкового штреку на шахті «Степова» ВАТ «Павлоградвугілля».

ВИСНОВКИ

У дисертації, що є завершеною науково-дослідною роботою, надане науково обґрунтоване рішення актуального народногосподарського завдання забезпечення ресурсозберігаючих умов повторного використання виїмкових штреків при відпрацюванні вугільних пластів Західного Донбасу на базі оптимізації й вибору параметрів охоронної литої смуги з розвантажувальною регульованою порожниною при механізованому способі її зведення.

Основні наукові й практичні результати роботи полягають у наступному.

1. Обґрунтована доцільність застосування на вугільних пластах Західного Донбасу способу охорони повторно використовуваних виїмкових штреків литою смугою з розвантажувальною порожниною. При цьому ресурсозбереження реалізується за допомогою керування геомеханічними процесами навколо виїмкового штреку за рахунок регулювання параметрами литої смуги відповідно до характеру проявів гірського тиску, а регулювання параметрів смуги здійснюється за допомогою механізованого кріплення-опалубки, що виключає ручну працю.

2. Відповідно до сучасних уявлень про особливості проявів гірського тиску при розвитку очисних робіт на виїмковій ділянці виділені основні елементи, обов'язкові до урахування й спільного розгляду для найбільш достовірного опису процесів зрушення порід надвугільної товщі навколо виїмкового штреку: зона шарнірно-блокового переміщення порід, зона безладного обвалення, безпосередній ґрунт пласта, охоронна лита смуга з розвантажувальною порожниною, рамне кріплення штреку з міжрамною огорожею і забутованим закріпним простором, прилеглі шари порід суміжної виїмкової ділянки. Ці елементи відбиті в розробленій геомеханічній моделі системи «породний масив-виїмковий штрек-лита смуга», у якій виконане обґрунтування комплексу факторів:

- встановлені інтервали зміни гірничо-геологічних і гірничотехнічних параметрів досліджуваної системи, що найбільш об'єктивно відображають умови розробки вугільних пластів Західного Донбасу;

- доведено, що в інтервалі м, найбільш характерного (для вугільних пластів Західного Донбасу) діапазону зміни потужності пласта (з врахуванням присікання порід покрівлі), коливання компонент поля напружень у всіх елементах системи не перевищує 10%, а в більшості розрахункових варіантів становить 1...4%. Це обґрунтовує доцільність використання в геомеханічній моделі постійної усередненої потужності вугільного пласта м;

- встановлено, що в діапазоні зміни деформаційних властивостей вугільних пластів Західного Донбасу коливання НДС всіх елементів системи не виходить за рамки 10%, тобто лежать у межах допустимої точності гірничотехнічних розрахунків. Це є обґрунтуванням використання в геомеханічній моделі усереднених деформаційних характеристик вугільного пласта: модуль деформації МПа, коефіцієнт Пуассона ;

- доведена можливість опису структури надвугільної товщі вугільних пластів Західного Донбасу узагальненої геомеханічної моделі. При цьому обґрунтовані поправочні коефіцієнти для розрахунку НДС рамного кріплення залежно від діапазону коливань модулів деформації породних шарів, що складають: 1,1 - однорідні шари; 1,15 - зміна до 5 разів; 1,20 - зміна до 10 разів.

3. Установлено, що максимум наведених напружень (за якими провадиться міцнісний розрахунок) у литій смузі змінюється до 3,2 разів залежно від співвідношення модулів деформації породних шарів основної й безпосередньої покрівлі: найбільше навантаження на литу смугу проявляється при зниженій твердості породних шарів основної покрівлі й підвищеної твердості породних шарів безпосередньої покрівлі й ґрунту; мінімальне навантаження формується в діаметрально протилежних умовах, коли тверді породні шари основної покрівлі обмежують до деякої міри навантаження на литу смугу:

- виявлені три закономірності росту зі збільшенням глибини розробки: близька до лінійного () при однорідній надвугільній товщі; степенева зі зниженою інтенсивністю росту ( ) при зниженій твердості безпосередньої покрівлі й підвищеній твердості основної покрівлі; степенева з підвищеною інтенсивністю росту ( ) при підвищеній твердості безпосередньої покрівлі й зниженій твердості основної покрівлі;

- наявність розвантажувальної порожнини в литій смузі дозволяє знижувати інтенсивність поля напружень у районі стояка рами від 2,4 до 6,3 разів у порівнянні з опорною частиною смуги. Такий ступінь розвантаження приконтурної зони неможливо досягти в існуючих конструкціях твердо-податливих охоронних споруд.

4. У рамному кріпленні виїмкового штреку незалежно від геомеханічних параметрів його підтримки (ступінь впливу в діапазоні зміни від 1,4 до 3,4 разів) стабільно виникають (з досить постійними координатами розташування по контуру рами) п'ять максимумів наведених напружень:

- - замок склепіння рами;

- - район опори стояка рами (з боку виробленого простору) на висоті 0,2...0,5 м від ґрунту виробки;

- - район замка з'єднання стояка й верхняка рами (з боку виробленого простору) на висоті 2,0...2,2 м від ґрунту виробки;

- - район п'яти склепіння (з боку суміжної виїмкової ділянки) на висоті 1,2...1,4 м від ґрунту виробки;

- - район прямолінійної частини стояка рами (з боку суміжної виїмкової ділянки) на висоті 0,7...0,9 м від ґрунту виробки.

Залежно від сполучення геомеханічних факторів і параметрів литої смуги найбільша величина максимуму може діяти в кожній з п'яти відзначених ділянок контуру рами, що враховано при оптимізації НДС системи «породний масив-виїмковий штрек-лита смуга».

5. Комплекс досліджень особливостей впливу геометричних і деформаційних параметрів зони знеміцнених порід навколо виїмкового штреку на НДС системи виявив два факти:

- по-перше, у вуглевмісній товщі відзначена достатня стабільність тенденцій зв'язку НДС системи з геомеханічними факторами поза залежністю від параметрів зони позамежного стану;

- по-друге, максимуми наведених напружень у литій смузі та рамному кріпленні змінюються до 2,0...3,5 разів залежно від геометричних параметрів й, особливо, деформаційних характеристик області знеміцнених порід; ступінь цього зв'язку порівняний з впливом глибини розробки.

6. Доведена ефективність керування НДС елементів системи, що визначають стійкість виїмкового штреку, за допомогою регулювання параметрами литої смуги з розвантажувальною порожниною. Установлено, що в діапазоні зміни геометричних параметрів литої смуги (ширина смуги

1 м ? ? 3 м; відносна ширина розвантажувальної порожнини ; висота розвантажувальної порожнини 0,1 м ? ? 0,3 м) надається можливість регулювати максимуми наведених напружень: у литій смузі - до 2,8 разів; у породній бермі - до 5,9 разів; у рамному кріпленні за всіма п'ятьма максимумами - від 2,0 до 4,5 разів. Такий діапазон керування порівняний зі ступенем впливу геомеханічних факторів на НДС елементів системи «породний масив-виїмковий штрек-лита смуга».

7. Обґрунтовані критерії оптимізації елементів системи й розроблена методика вибору раціональних параметрів охоронної литої смуги з розвантажувальною порожниною. При цьому встановлено, що на глибинах розробки до 600...800 м при істотно неоднорідній структурі вуглевмісної товщі забезпечується підвищення стійкості виїмкового штреку в 1,5…2 рази застосуванням охоронної литої смуги шириною м і розвантажувальною порожниною в діапазоні регулювання її геометрії ; м з межею міцності на стиск матеріалу смуги до 15...20 МПа.

8. Розроблена методика вибору раціональних параметрів охоронної литої смуги з розвантажувальною порожниною, затверджена НГУ й прий-нята до використання в робочій документації охорони виїмкових виробок на шахті «Степова» ВАТ «Павлоградвугілля».

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ РОБОТАХ

1. Геомеханика взаимодействия элементов системы «породный массив-выемочная выработка-охранная конструкция» / Бондаренко В.И.,

Ковалевская И.А., Симанович Г.А., Коваль А.И. - Днепропетровск: Системные технологии, 2007. - 209 с.

2. Временное руководство по расчету параметров трубчатой анкерной крепи / Бондаренко В.И., Ковалевская И.А., Симанович Г.А. и др. - Днепропетровск: Системные технологии, 2005. - 46 с.

3. Ковалевская И.А., Симанович Г.А., Коваль А.И. Определение прочностных свойств материала охранной полосы выемочного штрека //Науковий вісник НГУ. - 2006. - №9. - С.24-26.

4. Изменение несущей способности охранной полосы выемочного штрека во времени / Бондаренко В.И., Ковалевская И.А., Симанович Г.А., Коваль А.И. // Науковий вісник НГУ. - 2006. - №12. - С.8-9.

5. Ковалевская И.А., Симанович Г.А., Коваль А.И. Технология возведения у выемочного штрека охранной литой полосы с разгрузочной полостью // Науковий вісник НГУ. - 2007. - №1. - С.3-4.

6. Коваль А.И. К вопросу охраны выемочных выработок глубоких шахт // Науковий вісник НГУ. - 2007. - №2. - С.10-12.

7. Влияние параметров угольного пласта на напряжения в системе «породный массив-выемочный штрек-литая полоса» /Бондаренко В.И., Ковалевская И.А., Симанович Г.А., Коваль А.И. //Науковий вісник НГУ. - 2007. - №3. - С. 21-25.

8. Геомеханика взаимодействия охранной конструкции выемочной выработки с разупрочненным породным массивом /Бондаренко В.И., Ковалевская И.А., Симанович Г.А., Коваль А.И. //Науковий вісник НГУ. - 2007. - №5. - С.3-8.

9. Влияние структуры надугольной толщи и свойств пород на их напряженное состояние вокруг выемочной выработки / Бондаренко В.И., Ковалевская И.А., Симанович Г.А., Коваль А.И. //Науковий вісник НГУ. - 2007. - №6. - С.9-12.

10. Алгоритм исследования проблемы устойчивости пластовой выработки в слоистом породном массиве / Бондаренко В.И., Ковалевская И.А., Симанович Г.А. и др. //Науковий вісник НГУ. - 2007. - №6. - С.3-8.

11. К вопросу компьютерного моделирования нагружения крепи выемочного штрека и охранной полосы с разгрузочной полостью /Бондаренко В.И., Ковалевская И.А., Симанович Г.А., Коваль А.И. //Матер. межд. конф. «Форум гірників-2006», Том 1. - Д.: НГУ, 2006. - С.30-33.

12. Влияние параметров нарушенных пород на нагружение охранной конструкции и крепи выемочного штрека / Бондаренко В.И., Ковалевская И.А., Симанович Г.А., Коваль А.И. // Матер. межд. конф. «Форум горняка-2007». - Днепропетровск: НГУ, 2007. - С.50-56.

13. Ковалевская И.А., Симанович Г.А., Коваль А.И. Исследование особенностей формирования зоны шарнирно-блокового сдвижения надугольной толщи пород в окрестности выработки // Матер. межд. научн.-практ. конф. «Школа подземной разработки». - Днепропетровск: Арт-Пресс, 2007. - С.54-59.

Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих у співавторстві: [1] - написання розділів 1, 2, 3, 4, участь у розробці розрахункових схем і проведенні експериментів, їх аналіз за матеріалами розділів 5-10;

[2] - написання розділів 4 і 5; [3,4,7-9,11-13] - корегування результатів експериментів і їх аналіз; [5] - обґрунтування технології; [10] - обґрунтування критеріїв оцінки стану виробки.

АНОТАЦІЯ

Коваль А.І. Обґрунтування параметрів охоронних конструкцій виїмкових штреків для їх повторного використання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.02 - Підземна розробка родовищ корисних копалин. Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2008.

Захищаються параметри нової конструктивно-технологічної схеми охорони повторно використовуваних виїмкових виробок шахт Західного Донбасу - литою смугою з розвантажувальною порожниною регульованої геометрії при механізованому способі її зведення. Розроблені вимоги до ресурсозберігаючої охоронної конструкції, для обґрунтування параметрів якої виділені основні елементи геомеханічної системи «породний масив-виїмковий штрек-лита смуга»: зона шарнірно-блокового переміщення порід й безладного обвалення, безпосередній грунт пласта, охоронна лита смуга с розвантажувальною порожниною, рамне кріплення штреку з міжрамною огорожею і забутованим закріпним простором, прилегла вуглевмісна шарувата товща з боку суміжної виїмкової ділянки. Обґрунтована геомеханічна модель системи. Отримана система рівнянь регресії зв'язку максимумів наведеного напруження (у литій смузі, породній бермі, рамному кріпленні) з геомеханічними чинниками підтримки виїмкового штреку і регульованими параметрами охоронної литої смуги з розвантажувальною порожниною. Сформульовані й обґрунтовані критерії оптимізації НДС системи. Результат оптимізації ПДВ системи наведений у вигляді методики вибору раціональних параметрів охоронної литої смуги з розвантажувальною порожниною. Встановлено, що на глибинах розробки до 600…800 м підвищення стійкості виїмкового штреку і 1,5-2 рази забезпечується регулюванням параметрів литої смуги з розвантажувальною порожниною в діапазоні м, ; м, МПа.

Методика вибору параметрів литої смуги прийнята до використання в робочій документації охорони виїмкової ділянки на шахті «Степова» ВАТ «Павлоградвугілля». Основний зміст роботи відображений в монографії, брошурі та 11 статтях.

Ключові слова: виїмковий штрек, охорона, лита смуга, розвантажувальна порожнина, кріплення, стійкість, розрахунок параметрів.

АННОТАЦИЯ

Коваль А.И. Обоснование параметров охранных конструкций выемочных штреков для их повторного использования. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.02 - Подземная разработка месторождений полезных ископаемых. Национальный горный университет, Днепропетровск, 2008.

Защищаются параметры новой конструктивно-технологической схемы охраны повторно используемых выемочных выработок шахт Западного Донбасса литой полосой с разгрузочной полостью регулируемой геометрии при механизированном способе ее возведения. Разработаны требования к ресурсосберегающей охранной конструкции, для обоснования параметров которой выделены основные элементы геомеханической системы «породный массив-выемочный штрек-литая полоса», обязательные к учету и совместному рассмотрению для наиболее достоверного описания процессов сдвижения слоистой надугольной толщи в окрестности выемочного штрека: зона шарнирно-блокового перемещения пород и беспорядочного обрушения, непосредственная почва пласта, охранная литая полоса с разгрузочной полостью, рамная крепь штрека с межрамным ограждением и забутованным закрепным пространством, близлежащая углевмещающая слоистая толща со стороны смежного выемочного участка. Обоснована геомеханическая модель системы, учитывающая основные экспериментально установленные особенности геомеханических процессов в окрестности выемочного штрека и произведен расчет ее НДС с использованием современных компьютерных программ и приложений метода конечных элементов. По сформированной базе расчетных данных с привлечением методов корреляционно-дисперсионного анализа получена система уравнений регрессии связи максимумов приведенных напряжений (в литой полосе, породной берме, рамной крепи) с геомеханическими факторами поддержания выемочного штрека и регулируемыми параметрами охранной литой полосы с разгрузочной полостью. Сформулированы и обоснованы критерии оптимизации НДС системы «породный массив-выемочный штрек-литая полоса» с помощью регулируемых параметров литой полосы с разгрузочной полостью. Выявлено возникновение пяти максимумов приведенных напряжений, которые стабильно возникают в рамной крепи, что учтено при оптимизации НДС системы. Результат оптимизации НДС системы представлен в виде методики выбора рациональных параметров охранной литой полосы с разгрузочной полостью. Установлено, что на глубинах до 600…800 м повышение устойчивости выемочного штрека в 1,5-2 раза обеспечивается регулированием параметров литой полосы с разгрузочной полостью в диапазоне м, ; м, МПа.

Методика выбора параметров литой полосы принята к использованию в рабочей документации охраны выемочного участка на шахте «Степная» ОАО «Павлоградуголь». Основное содержание работы отражено в монографии, брошюре и 11 статьях.

Ключевые слова: выемочный штрек, охрана, литая полоса, разгрузочная полость, крепь, устойчивость, расчет параметров.

SUMMARY

Koval A.I. Ground of parameters of guarding construction of entry working for they repeated used. - Manuscript.

Dissertation on competition of graduate degree of candidate of engineering sciences on speciality 05.15.02 - Underground development of deposits of minerals. National mining university, Dnepropetrovsk, 2008.

There are on the defensive the parameters of a new structural-technological chart of guard the repeatedly used entry developments of mines of Western Donbassa - the poured bar with the unloading cavity of the managed geometry at the mechanized method of its erection. The requirements to resursosberegayushey guard construction are developed, for the ground of parameters of which the basic elements of the geomehanicheskoy system are selected «rock massiv-entry shtrek-poured bar»: area of the joint-block moving of breeds and disorderly bringing down, direct soil of layer, the guard poured bar with an unloading cavity, arch support drift with the interframe protection and zabutovannim zakrepnim space, the near-by coal cinsisting stratified layer from the side of contiguous entry area. The geomehanicheskaya model of the system is grounded. The system of equalizations of regression of communication of maximums of the resulted tensions (in the poured bar, rock berme, a areh support) with the geomehanicheskimi factors of maintenance of entry drift and managed parameters of the guard poured bar with an unloading cavity is got. Are formulated and grounded criteria of optimization of GSC of the system. The result of optimization of GSC of the system is presented as a method of choice of rational parameters of the guard poured bar with an unloading cavity.

It is set, that on depths to 600…800 m the stable state of entry drift (for his repeated use) is provided by adjusting of parameters of the poured bar with an unloading cavity in the range of m, ;m, MPa.

The method of choice of parameters of the poured bar is accepted to the use in the working document of guard of entry area on a mine the «Stepnaya» to GSC «Pavlogradcoal». Basic maintenance of work is reflected in a monograph, brochure and 11 articles.

Keywords: entry drift, guard, poured bar, unloading cavity, support, stability, computation of parameters.

Размещено на Allbest.ru

...