Geum.ru

Повышение устойчивости повторно используемых выработок угольных шахт, сооружаемых с подрывкой почвы

Вид материалаАвтореферат диссертации

Содержание


Плешко Михаил Степанович
Саакян Рафаэль Оксенович
Идея работы
Методы исследования.
Защищаемые научные положения
Новые научные результаты, полученные лично соискателем
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
Научное значение
Практическое значение работы
Реализация работы.
Структура и объем работы.
Основное содержание работы
U пород верхнего бока штрека от сближения Δm
Рис. 2. Зависимость относительных эквивалентных напряжений от расстояния Lб
Рис. 3. Зависимость относительных эквивалентных напряжений в породах бермы
Рис. 4. Зависимость параметра σэ.отн от отношения Е/Епр
Рис. 6. Схема крепления пород бермы повторно используемой выработки, содержащей угольные пропластки при III категории устойчивос
Подобный материал:

На правах рукописи



Насонов Андрей Андреевич




Повышение УСТОЙЧИВОСТИ ПОВТОРНО ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ВЫРАБОТОК угольных шахт, сооружаемых с подрывкой почвы


Специальность
25.00.22 – «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»


Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук


Новочеркасск – 2011

Работа выполнена в Шахтинском институте (филиале) Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» на кафедре «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы».


Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Плешко Михаил Степанович


Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Привалов Александр Алексеевич


кандидат технических наук

Саакян Рафаэль Оксенович


Ведущая организация – ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»


Защита состоится 29 апреля 2011 г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.07 при Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) по адресу 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132, ЮРГТУ(НПИ), аудитория 107, тел./факс: (863-52) 2-84-63, email: ngtu@novoch.ru.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЮРГТУ(НПИ) (г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132).


Автореферат разослан 23 марта 2011 г.





Ученый секретарь

диссертационного совета М.С. Плешко




Введение


Значительная доля угля в Российской Федерации (около 30%) добывается с пластов мощностью до 2,0 м, залегающих в породах средней и высокой крепости по шкале проф. Протодъяконова (f = 4÷15). К числу предприятий, работающих в данных условиях, относятся все шахты Российского Донбасса, а также ряд угледобывающих предприятий Кузбасса и Печерского бассейна.

Практический опыт отработки пластов небольшой мощности показывает, что одной из важнейших задач является охрана одиночных подготовительных выработок, которая должна обеспечивать их безремонтную эксплуатацию в течение всего срока службы.

В Советском Союзе практика охраны одиночных выработок, пройденных по одиночным не опасным по горным ударам и выбросам пластам, во многих случаях основывалось на применении систем угольных целиков с обоснованными для конкретных горно-геологических условий размерами.

Данный способ имеет ряд существенных недостатков: большие потери полезного ископаемого; ограничение нагрузок на очистные забои факторами вентиляции, транспортирования угля и доставки материалов; существенные затраты на проведение и крепление нарезных выработок; издержки обслуживания сложной транспортной цепочки.

Отмеченных недостатков лишены бесцеликовые способы охраны, наиболее перспективным из которых является проведение выработки в нетронутом массиве с последующим её поддержанием искусственными охранными конструкциями на границе выработанного пространства для повторного использования. Применение этого способа позволяет практически вдвое снизить объём проведения подготовительных выработок, повысить концентрацию горных работ и уровень нагрузок на очистные забои, обеспечить эффективное проветривание лав за счёт использования прямоточных схем вентиляции, в том числе с подсвежением исходящей струи, упростить цепочку транспортирования угля и материалов.

Вместе с тем, обеспечение эксплуатационного состояния подготовительной выработки при данном способе охраны часто является проблематичным. Влияние опорного давления двух лав, длительное поддержание на границе с выработанным пространством может приводить к большим смещениям породного контура и его разрушению, что вызывает необходимость проведения ремонтно-восстановительных работ, связанных со значительными материальными и трудовыми затратами.

Современный опыт эксплуатации шахт Российского Донбасса (ш. «им. М. Чиха», ш. «Обуховская», ш. «Дальняя», ш. «Шерловская», ш. «Ростовская», ш. «Замчаловская», ш. «Гуковская» и др.) показывает, что при устойчивых породах кровли наиболее эффективной и распространенной является прямоугольная (трапециевидная с наклонной кровлей и вертикальными боками) форма поперечного сечения повторно используемых выработок с нижней подрывкой вмещающих пласт пород и креплением сталеполимерными анкерами. В то же время, одним из наиболее сложных аспектов эксплуатации таких выработок является взаимодействие охранных конструкций с породами бермы (породы бока выработки под отработанным угольным пластом), которая может скалываться и разрушаться на большом протяжении выработок даже при высокой прочности боковых пород. Это в свою очередь приводит к потере работоспособности охранных конструкций и снижению устойчивости всех пород в окрестности повторно используемой выработки. При этом наметившаяся тенденция перехода на охранные конструкции высокой несущей способности усугубляет данную ситуацию и вызывает необходимость дальнейшего совершенствования технических и технологических решений по креплению и поддержанию повторно используемых выработок.

Решению этой задачи и посвящена настоящая работа.

Диссертация выполнена в рамках темы НИР 17.05 «Исследование геомеханических процессов подземного пространства, влияние этих процессов на сопутствующие среды и земную поверхность», выполняемой в Шахтинском институте ЮРГТУ (НПИ) по заданию Федерального агентства по образованию и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (государственный контракт 14.740.11.0427).

Цель работы: обоснование технических и технологических решений по повышению устойчивости повторно используемых выработок, сооружаемых с подрывкой почвы и поддерживаемых искусственными охранными конструкциями, что позволит увеличить безопасность работ и снизить эксплуатационные затраты на угольных шахтах.

Идея работы: повышение устойчивости и безремонтная эксплуатация повторно используемых выработок обеспечивается увеличением жесткости и несущей способности пород бермы за счет применения комбинированных многорядных схем анкерного упрочнения, параметры которых определяются в зависимости как от горно-геологических факторов при учете неоднородности и трещиноватости пород бермы, так и от принятого типа и схемы установки охранных конструкций.

Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований, включающий: шахтные исследования по изучению физико-механических свойств и параметров трещиноватости пород, измерение смещений пород на контуре повторно используемых выработок, измерение растягивающих усилий в анкерах, установленных в породы бермы выработок; численное моделирование методом конечных элементов объемной задачи взаимодействия системы «кровля пласта – охранные конструкции – породы бермы»; статистический анализ; опытно-промышленную проверку полученных результатов.

Защищаемые научные положения:
  1. Переход с однорядной горизонтальной на двухрядную схему анкерного крепления боков повторно используемой выработки с углами наклона анкеров верхнего и нижнего рядов к горизонтали соответственно 15 - 250 и 30 - 350 позволяет повысить жесткость бермы на 25 - 30% и обеспечить ее устойчивость при взаимодействии с охранными конструкциями высокой несущей способности (более 4000 кН).
  2. Максимальные значения напряжений в породах бермы повторно используемой выработки возрастают по параболической зависимости при увеличении жесткости охранных конструкций и линейно снижаются при увеличении расстояния установки ближнего ряда охранных конструкций до бокового контура выработки.
  3. Совместное влияние охранных конструкций, маломощных угольных пропластков и систем вертикальных трещин приводит к образованию в породах бермы зон концентраций напряжений, при этом их максимальные значения достигаются при расположении пропластка в породах бермы на расстоянии 0,8 - 1,2 м от почвы пласта, а вертикальных трещин – на участке шириной 0,2 - 0,3 м за проекцией задней грани охранной конструкции.

Новые научные результаты, полученные лично соискателем:
  1. Выявлены взаимосвязи между плотностью анкерной крепи, установленной в породах бермы, натяжением анкеров, углами их наклона, горизонтальными смещениями пород бермы и величиной сближения кровли и почвы пласта вблизи охранной конструкции в повторно используемых выработках.
  2. Получено выражение для определения коэффициента упрочнения пород бермы в зоне влияния охранных конструкций, учитывающее интенсивность горного давления, прочностные свойства пород, деформационные и геометрические параметры используемых охранных конструкций.
  3. Установлены закономерности влияния на напряженно-деформированное состояние пород бермы повторно используемых выработок, взаимодействующих с охранными конструкциями, угольных пропластков малой мощности и систем вертикальных трещин, образующихся в процессе развития очистных работ.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием апробированных методов шахтных исследований и математического моделирования, высокими значениями коэффициентов корреляции полученных автором корреляционных зависимостей (не ниже 0,78), удовлетворительной сходимостью результатов, полученных в ходе шахтных исследований и численного моделирования (средние отклонения не превышают 15%), проектными проработками и успешным внедрением результатов диссертационного исследования.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей взаимодействия системы «кровля пласта – охранные конструкции – породы бермы» в повторно используемых выработках при изменении параметров ее основных элементов и различных схемах анкерного крепления.

Практическое значение работы:
  • получены выражения для определения растягивающих усилий в бермовых анкерах и нагрузок на анкерную крепь, а также коэффициента упрочнения пород бермовой части повторно используемых выработок, с помощью которых можно определять необходимые параметры анкерной крепи боков выработок;
  • выделено 5 категорий устойчивости пород бермы повторно используемых выработок, для которых разработаны схемы комбинированного анкерного крепления с обоснованными параметрами, обеспечивающими повышение устойчивости пород и снижение затрат при эксплуатации выработок.

Реализация работы. Основные результаты работы использованы шахтой «им. М. Чиха» при разработке паспортов крепления подготовительных штреков.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены на международных научных симпозиумах и конференциях: «Неделя горняка» (Москва, 2008 - 2010 гг.); «Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений» (ДонНТУ, 2008 г.); «Проблемы горного дела и экологии горного производства» (Восточно-Украинский национальный университет им. Даля, 2009 г.); «Перспективные технологии добычи и использования углей Донбасса» (ЮРГТУ(НПИ), 2009 г.); 56-59 научных конференциях Шахтинского института (филиала) Южно-Российского государственного технического университета (г. Шахты 2007 - 2010 гг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 11 научных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников из 77 наименований и 1 приложения. Содержит 133 страницы машинописного текста, 42 рисунка и 10 таблиц.


Основное содержание работы


Проблема устойчивости горных выработок относится к числу важных и сложных задач геотехнологии.

Основополагающие результаты по оценке напряженно-деформированного состояния породных массивов вокруг горных выработок, базирующиеся на положениях теории упругости, пластичности, ползучести, предельного равновесия, запредельного деформирования при различной идеализации свойств массивов (однородная, анизотропная, линейная, нелинейная, упруго-ползучая, сплошная, пластическая, разупрочняющаяся, дискретная среда) были получены Б.З. Амусиным, Н.С. Булычевым, В.В. Виноградовым, Ж.С. Ержановым, В.Ю. Изаксоном, А.М. Козелом, Г.А. Крупенниковым, Ю.М. Либерманом, Г.Г Литвинским, А.П. Максимовым, Л.Я. Парчевским, П.И. Пономаренко, К.В. Руппенейтом, Н.Н. Фотиевой и др.

Природа и механизм деформаций пород вокруг выработок рассмотрены в работах И.В. Баклашова, Н.С. Булычева, В.В. Виноградова, Ю.З. Заславского, Б.А. Картозия, Б.М. Усаченко, И.Л. Черняка, А.Н. Шашенко и др.

При анализе напряженно-деформированного состояния повторно используемой выработки можно выделить несколько основных периодов, формирующихся по мере развития горных работ и определяющих ее устойчивое состояние. Основные закономерности сдвижения подрабатываемого массива горных пород, формирования зон опорного давления, влияния очистных работ и других геомеханических процессов в окрестности подготовительных выработок установлены С.Г. Авершиным, К.А. Ардашевым, Е.В. Беляевым, А.Ф. Борзых, А.А. Борисовым, В.П. Зубовым, Д.А. Казаковским, М.В. Коротковым, Б.Б. Луганцевым, И.М. Петуховым, И.Л. Черняком и др.

По результатам данных исследований в качестве основной геотехнологической задачи при переходе на безцеликовые способы охраны стало рассматриваться обеспечение устойчивости кровли пласта после его отработки. Ее решению, разработке и проектированию искусственных охранных конструкций посвящены работы К.А. Ардашева, Н.П. Бажина, А.Ф. Борзых, А.С. Диманштейна, К.В. Руппенейта, Ю.М. Либермана и др.

Анализируя труды отечественных ученых, можно отметить, что основные рекомендации по обеспечению устойчивости повторно используемых выработок при увеличении глубин разработки и росте горного давления заключались в повышении несущей способности и плотности установки охранных конструкций. Однако в выработках, сооружаемых с подрывкой почвы и закрепленных анкерной крепью, реализация таких подходов не обеспечивала ожидаемого технического эффекта из-за скалывания и сползания породных блоков бермы за забоем первой лавы в зоне активного сдвижения кровли пласта. Данные процессы происходили при нагрузках, значительно ниже расчётного значения и паспортной несущей способности охранных конструкций, а применяемые в соответствии с существующими рекомендациями схемы крепи усиления боковых пород оказывались не эффективными.

Это позволяет сделать вывод о том, что разработка технических и технологических решений по обеспечению устойчивости повторно используемых выработок должна осуществляться на основе рассмотрения системы «кровля пласта – охранные конструкции – породы бермы». Особенности ее взаимодействия с учетом влияния комплекса горно-геологических и технологических факторов остаются недостаточно изученными.

Вышесказанное позволяет сформулировать основные задачи диссертационного исследования:
  • выполнить шахтные исследования процесса совместного деформирования пород кровли, охранных конструкций и пород бермы повторно используемых выработок при различных схемах крепления;
  • установить закономерности взаимодействия системы «кровля пласта – охранные конструкции – породы бермы» с учетом влияния основных горно-геологических и технологических факторов;
  • разработать технические и технологические решения по повышению жесткости и несущей способности пород бермы повторно используемых выработок, взаимодействующих с охранными конструкциями различного типа;
  • выполнить технико-экономическую оценку разработанных решений.

Для решения первой задачи выполнен комплекс шахтных исследований в штреках, пройденных с подрывкой почвы и поддерживаемых на границе с выработанным пространством для повторного использования с помощью искусственных ограждений, которые включали в себя: изучение физико-механических свойств и параметров трещиноватости пород, слагающих берму конвейерного штрека; определение фактической деформационно-силовой характеристики охранной конструкции; измерение смещений контура штрека; измерение растягивающих усилий в анкерах, установленных в породы бермы; визуальную оценку состояния породных обнажений и анкерной крепи.

Статистический анализ результатов наблюдений показал, что при расположении анкеров в берме по различным схемам, величина их натяжения надёжно коррелирует со значениями сближения кровли и почвы пласта в местах установки тумб типа БДБ ближнего ряда (табл. 1).


Таблица 1

Эмпирические формулы для определения максимальных Fmax и средних Fср растягивающих усилий в анкерах бермы в зависимости от сближения Δm кровли и почвы пласта в местах установки тумб БДБ ближнего ряда

Условия

применения

формул
α1 /α2,

град.
П,

анк./м2
Fmax и Fср, кН
R2

Схема I: анкеры расположены в один ряд горизонтально на расстоянии 0,3-0,4 м от почвы пласта;


опорный элемент –

металлическая плитка 150х150х8 мм;

податливый элемент – пластина АПО1-004
0
0,57
Fmax = – 3∙10–7∙Δm4 + 10–4∙Δm3 –

– 10,1∙10–3∙Δm2 + 0,467∙Δm + 50,8
0,8281

Fср = – 2∙10–7∙Δm4 + 5∙10–5∙Δm3 –

– 2∙10–3∙Δm2 + 0,199∙Δm + 34,3
0,8586

0,75
Fmax = 10–7∙Δm4 – 10–4∙Δm3 +

+ 22,4∙10–3∙Δm2 – 0,978∙Δm + 47,5
0,8227

Fср = – 10–8∙Δm4 – 3∙10–5∙Δm3 +

+ 12,6∙10–3∙Δm2 – 0,617∙Δm + 33,6
0,8612

1,04
Fmax = 4∙10–8∙Δm4 – 5∙10–5∙Δm3 +

+ 13,8∙10–3∙Δm2 – 0,474∙Δm + 47,6
0,7772

Fср = 4∙10–8∙Δm4 – 5∙10–5∙Δm3 +

+ 11,2∙10–3∙Δm2 – 0,276∙Δm + 38,3
0,8209

Схема II: анкеры расположены в два ряда горизонтально или наклонно на расстоянии 0,1 и 0,4 м от почвы пласта;


опорный элемент –

металлическая плитка 150х150х8 мм;

податливый элемент – пластина АПО1-004
0/0
1,14
Fmax = 7∙10–8∙Δm4 – 5∙10–5∙Δm3 +

+ 6,4∙10–3∙Δm2 + 0,556∙Δm + 52,0
0,9008

Fср = 10–7∙Δm4 – 7∙10–5∙Δm3 +

+ 10,2∙10–3∙Δm2 + 0,116∙Δm + 43,4
0,9291

15/30
1,11
Fmax = 4∙10–8∙Δm4 – 3∙10–5∙Δm3 +

+ 5,5∙10–3∙Δm2 + 0,464∙Δm + 53,1
0,8819

Fср = 2∙10–7∙Δm4 – 9∙10–5∙Δm3 +

+ 11,1∙10–3∙Δm2 + 0,296∙Δm + 40,9
0,9353

30/45
1,11
Fmax = 5∙10–8∙Δm4 – 4∙10–5∙Δm3 +

+ 7∙10–3∙Δm2 + 0,393∙Δm + 51,1
0,9558

Fср = 10–7∙Δm4 – 9∙10–5∙Δm3 +

+ 12,9∙10–3∙Δm2 + 0,0793∙Δm + 46,1
0,9671


Изменение натяжения анкеров, установленных в породы верхнего бока штрека, и нагрузки на анкерную крепь бермы с ростом сближения кровли и почвы пласта вблизи охранной конструкции описывается полиномиальными зависимостями. При повышении плотности анкерования бермы, П, с 0,57 до 1,04 анк. /м2 происходит увеличение ее жесткости, о чем свидетельствует уменьшение величин Δm, при которых достигаются максимальные средние величины натяжения анкеров. Наибольший упрочняющий эффект, обеспечивающий увеличение жесткости бермы на 25 - 30%, достигается при углах наклона анкеров к горизонтали α1=150 и α2=300.

Схема расположения анкеров в берме определяет характер её деформирования в зависимости от сближения кровли и почвы пласта в месте установки тумбы ближнего ряда (рис. 1).


U,

мм

250


200


150


100


50


0





0 50 100 150 200 250 300 350

Сближение Δm кровли и почвы пласта у середины тумбы первого ряда, мм

350


300


250


200


150


100


50


0





0 50 100 150 200 250 300 350

Сближение Δm кровли и почвы пласта у середины тумбы первого ряда, мм


Рис. 1. Графики зависимостей горизонтальных смещений U пород верхнего бока штрека от сближения Δm кровли и почвы пласта у середины тумбы БДБ ближнего ряда:

1, 2 и 3 – α = 0°, П = 0,57, 075 и 1,04 анк./м2 соответственно; 4 – α1 = α2 = 0°, П = 1,14 анк./м2; 5 – α1 =15°, α2 = 30°, П = 1,11 анк./м2; 6 – α1 =30°, α2 = 45°, П = 1,11 анк./м2


Анализ данных показывает, что при установке анкеров по схеме I анкера эффективно работают только в диапазоне 140÷160 ≤ Δm ≤ 210÷230 мм, когда рост горизонтальных смещений пород верхнего бока штрека существенно замедляется активным сопротивлением крепи, испытывающей наибольшую нагрузку.

При Δm ≥ 210÷230 мм горизонтальные смещения пород верхнего бока выработки значительно интенсифицируются ввиду разрывов 50 - 70 % анкеров и «обыгрывания» оставшихся, что в итоге приводит к руинному разрушению бермы.

При Δm ≤ 140÷200 мм анкерная крепь, установленная по схеме II, вовлекая в работу глубинные слои почвы пласта, эффективно препятствует смещениям пород верхнего бока штрека. За пределами этого интервала, то есть при Δm ≥ 140÷200 мм, анкерная крепь продолжает оказывать воздействие на массив, чему способствует перевязка породных блоков бермы стержнями и применение в качестве опорного элемента полосовых подхватов.

В целом двухрядное расположение анкеров в берме с использованием металлических полосовых подхватов обеспечивает снижение по экспоненциальному закону горизонтальных смещений пород верхнего бока повторно используемой выработки с ростом плотности анкерной крепи как в период, предшествующий разрывам анкеров, так и в последующий период (разрывы по резьбе до 50 % анкеров).

Наблюдения за трещиноватостью пород верхних боков штреков при их недостаточном упрочнении показывают, что до влияния очистных работ приконтурные породы верхнего бока каждого исследованного штрека разделены на блоки субвертикальными трещинами с раскрытием до 0,1 мм, параллельными продольной оси выработки и чередующимися с интервалом 0,1 - 0,4 м, в среднем – 0,29 м. Глубина зоны нарушенных трещинами пород составляет около 0,9 м.

Позади забоя лавы на расстоянии 31,5 м от него происходит увеличение раскрытия отмеченных трещин до 1,0 - 1,5 мм и появление новых трещин с малым раскрытием (до 0,1 мм). Глубина зоны нарушенных трещинами пород увеличивается до 1,4 м. На удалении от контура до 0,9 м среднее расстояние между трещинами уменьшается до 0,18 м. Отмечаются вертикальные подвижки блоков по поверхностям трещин, свидетельствующие о сползании пород бермы в выработку.

Позади забоя лавы на расстоянии 74,5 м от него происходит раскрытие ранее зафиксированных трещин до 1,1 - 3,5 мм и появление новых трещин с небольшим раскрытием. Глубина зоны нарушенных трещинами пород увеличивается не менее чем до 1,8 м. Продолжаются вертикальные подвижки блоков по поверхностям трещин, свидетельствующие о сползании пород бермы в выработку.

Результаты шахтных исследований легли в основу компьютерного моделирования процесса взаимодействия «кровля пласта – охранные конструкции – породы бермы», выполненного с помощью программного комплекса «Лира», реализующего метод конечных элементов.

На первой стадии исследования рассмотрено взаимодействие системы в случае однородности пород бермы при варьировании исходных параметров (прочность пород, вынимаемая мощность пластов, угол падения пластов, расстояния между охранными конструкциями и их начальный модуль упругости, глубина заложения и размеры выработки и др.).

В результате расчетов получены массивы данных по главным, эквивалентным напряжениям (определенным в соответствии с критерием прочности Кулона - Мора), а также вертикальным и горизонтальным перемещениям. Статистическая обработка и анализ данных позволили установить следующее.

После вступления системы охранных конструкций в работу они начинают воздействовать на породы бермы выработки. Наиболее интенсивное влияние на напряженное состояние пород бермы оказывает ближний по отношению к боковой грани бермы ряд охранных конструкций. В породах бермы под каждой охранной конструкцией отдельного типа формируется область повышенных напряжений.

Радиус внешней окружности зоны возмущения с центром в верхнем угле бермы составляет порядка R=x1+1,2 Dо.к, где x1 – расстояние от начала бермы до центральной оси охранной конструкции, Dо.к – диаметр (ширина) охранной конструкции. В пределах этой области происходит скол пород бермы в случае их недостаточной прочности.

Величина максимальных напряжений в породах бермы в зоне активного влияния охранной конструкции определяется как горно-геологическими факторами, так и схемой установки и параметрами охранных конструкций. С высокой точностью в виде линейной функции описывается зависимость между относительными эквивалентными напряжениями и расстоянием Lб от ближней грани охранной конструкции до боковой поверхности бермы (рис. 2).




Рис. 2. Зависимость относительных эквивалентных напряжений от расстояния Lб


Эта зависимость свидетельствует о том, что за счет обоснованного увеличения расстояния установки ближнего ряда охранных конструкций до края бермы можно обеспечить некоторое увеличение устойчивости пород бермы.

Выявлено существенное влияние на напряженно-деформированное состояние пород бермы жесткости охранной конструкции, характеризуемой ее начальным модулем упругости (рис. 3).




Рис. 3. Зависимость относительных эквивалентных напряжений в породах бермы

от начального модуля упругости охранной конструкции


Зависимость имеет нелинейный характер и показывает, что при переходе на охранные конструкции высокой прочности и жесткости (литые полосы, породные блоки и др.) в породах бермы происходит увеличение напряжений в зоне их влияния в 2 - 3 раза.

Это свидетельствует о необходимости рассмотрения в этих случаях комплексных мер по обеспечению устойчивости пород бермы, которые должны приниматься без отрыва от обоснования решений по крепи повторно используемых выработок и способов их охраны.

C учетом выявленных зависимостей, на основании статистической обработки данных получено выражение для определения коэффициента упрочнения пород бермы высотой 1,6 - 2,4 м в зоне влияния охранной конструкции следующего вида:

(1)

В соответствии с современными представлениями геомеханики в качестве Rcж следует рассматривать фактическую длительную прочность пород в массиве. Коэффициент корреляции составляет 0,83.

На второй стадии моделирования проанализировано влияние на установленные закономерности неоднородности и трещиноватости пород бермы.

Анализ горно-геологических условий строительства повторно используемых выработок в Донбассе показывает, что породы бермы преимущественно сложены достаточно прочными песчаниками и сланцами крепостью f=6 - 8 и более. В то же время на расстоянии 0,2 - 1,2 м от нижней грани пласта по породам почвы проходит 1 - 2 угольных пропластка незначительной мощности, которые представляют собой «слабые» слои, негативно влияющие на устойчивость бермы.

Для оценки влияния угольного пропластка на напряженно-деформированное состояние основных пород бермы введен параметр σотн, определяемый как отношение максимальных эквивалентных напряжений в породах бермы, включающих «слабый» слой, к соответствующим напряжениям в породах однородной бермы.

Анализ распределения напряжений в породах бермы, включающих «слабые» слои, позволил установить следующее:

- наличие пропластка в породах бермы приводит к увеличению максимальных напряжений на участках, непосредственно примыкающих к нему, при некотором снижении величины средних напряжений в сечении бермы;

- наличие пропластка приводит к росту горизонтальных смещений пород бермы внутрь выработки, при этом максимум увеличения смещений приходится на высотную отметку расположения «слабого» слоя;

- интенсивность увеличения максимальных напряжений в породах бермы в зоне влияния пропластка зависит от расстояния h между почвой пласта и кровлей пропластка, отношения модулей деформации основных пород и «слабого» слоя и может достигать 15 - 18%;

- влияние охранной конструкции и пропластка на напряжения в основных породах бермы в характерных областях ее сечения складываются, при этом наиболее неблагоприятное с позиций возникновения максимальных напряжений значение h составляет 0,8 - 1,2 м. Максимум увеличения значений напряжений наблюдается в области пересечения вертикальной проекции задней грани охранной конструкции (относительно начала бермы) с плоскостью «слабого» слоя». Для этой области в результате исследований установлена нелинейная зависимость между отношением Е/Епр, где Е – модуль деформации основных пород; Епр – модуль деформации угольного пропластка, и величиной относительного увеличения напряжений (рис. 4).



Рис. 4. Зависимость параметра σэ.отн от отношения Е/Епр


Еще более негативное влияние на напряженно-деформированное состояние пород бермы оказывает наличие в них систем вертикальных трещин.

Установлено, что параметр σотн нелинейно возрастает при увеличении длины трещин. Данная зависимость представлена на рис. 5.



Рис. 5. Зависимость параметра σэ.отн от протяженности раскрытия
вертикальных трещин


Влияние начального модуля упругости охранной конструкции проявляется по-разному в зависимости от взаимного расположения вертикальных осей охранной конструкции и трещины. В случае если ось трещины находится в зоне горизонтальной проекции охранной конструкции, то с увеличением Еб параметр σотн нелинейно снижается. Это можно объяснить возникновением эффекта «обоймы» между поверхностями охранной конструкции и пород за счет сил трения. Если ось трещины выходит за горизонтальную проекцию основания охранной конструкции, напротив, при увеличении Еб происходит нелинейное возрастание параметра σотн.

Наиболее опасным положением вертикальной трещины является участок шириной 0,2 - 0,3 м за проекцией задней грани охранной конструкции первого ряда. В этом случае влияние охранной конструкции и зоны ослабления складывается, в породах бермы возникают максимальные напряжения, и параметр σотн достигает значений 2 - 2,5 при применении охранных конструкций даже небольшой жесткости.

В целом, результаты проведенных исследований показывают, что системы вертикальных трещин, образующихся в породах бермовой части повторно используемых выработок, резко (в 1,5 - 3 раза) увеличивают максимальные напряжения в породах бермы в зоне совместного влияния трещин и охранной конструкции. Такие зоны образуются над и под трещинами и приводят к их дальнейшему раскрытию и развитию процесса обрушения пород. В связи с этим и установленными в ходе шахтных исследований закономерностями формирования трещин необходимо проведение упрочнения боковых пород при проходке выработок.

Также выполнен сравнительный анализ значений максимальных и средних растягивающих усилий в бермовых анкерах, определенных в результате шахтных исследований и математического моделирования. Среднее отклонение максимальных усилий в анкерах по шести участкам не превысило 15%, а средних усилий – 12%. Уточнены диапазоны изменения углов наклона бермовых анкеров к горизонтали, при которых обеспечивается максимальная эффективность их работы. Они составили: α1=15÷250 и α2=30÷350.

На основании выполненных шахтных исследований и математического моделирования выделено 5 категорий устойчивости пород бермы повторно используемых выработок, принимаемых в зависимости от: отношения γН/Rсж; расстояния Lб от ближней грани огранной конструкции до боковой поверхности бермы; начальной жесткости охранной конструкции, наличия в породах бермы угольных пропластков и систем вертикальных трещин, а также расчетного значения коэффициента упрочнения пород бермы, Купр.

В соответствии с выделенными категориями устойчивости пород бермовой части повторно используемых выработок разработаны 5 схем крепления (рис. 6), предусматривающих применение упрочняющей сталеполимерной анкерной крепи в сочетании с опорными элементами, устанавливаемой в бока выработки вблизи проходческого забоя, и при необходимости усиливаемой позади забоя первой лавы в месте выкладки охранной конструкции.





Рис. 6. Схема крепления пород бермы повторно используемой выработки,
содержащей угольные пропластки при III категории устойчивости:

x1=1,2 м; x2 = 2,0÷2,2 м; bо.к= 1,0÷1,5 м; l1=x1+1,2·Dо.к, α1=20÷250; l2=l1 – (1,0÷1,2)·Dо.к, α2=30÷350; h1анк=0,1÷0,15 м; h2анк=0,5÷0,7 м; bанк=bо.к/2; Dо.к – диаметр охранной конструкции, м; lз – величина заделки анкеров, принимается не менее 1,0 м, и не менее величины, обеспечивающей закрепление в плотных породах бермы стержня анкера


На основании выполненного комплекса исследований разработан и внедрен паспорт крепи усиления конвейерного штрека № 113 шахты «им. М. Чиха». Приёмочные испытания и последующая эксплуатация конвейерного штрека показали техническую эффективность предложенного решения.

На закрепленном участке горизонтальные смещения пород бермы в среднем были в 2 раза меньше чем на аналогичных участках. При взаимодействии охранных конструкций и пород бермы сколов и разрушения последних не наблюдалось. Это позволило обеспечить безаварийную эксплуатацию конвейерного штрека, повысить безопасность работ и получить экономический эффект в размере 1,3 млн. руб. в ценах 2009 г.


Заключение


Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основе установленных закономерностей влияния схем и параметров анкерной крепи и охранных конструкций на напряженно-деформированное состояние пород бермы повторно используемых выработок содержится решение актуальной задачи по повышению их устойчивости в однородных, неоднородных и трещиноватых породах, что имеет существенное значение для подземной геотехнологии.


Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:
  1. В результате шахтных исследований на 6 опытных участках получены зависимости максимальных и средних растягивающих усилий в анкерах, установленных в породы бермы повторно используемых выработок, и нагрузки на анкерную крепь от величины сближения кровли и почвы пласта вблизи охранной конструкции.
  2. Установлено, что двухрядное расположение анкеров в берме с использованием металлических полосовых подхватов обеспечивает снижение по экспоненциальному закону горизонтальных смещений пород верхнего бока штрека с ростом плотности анкерной крепи как в период, предшествующий разрывам анкеров, так и в последующий период (разрывы по резьбе до 50 % анкеров).
  3. Доказано, что эффективное повышение жёсткости и несущей способности пород бермы достигается увеличением плотности установки анкеров в боковые породы повторно используемой выработки, применением вместо однорядной двухрядной схемы их расположения со средними углами наклона к горизонтали 15 и 300 анкеров верхнего и нижнего рядов, применением в качестве опорного элемента крепи полосовых подхватов.
  4. Установлено, что радиус внешней окружности зоны возмущения с центром в верхнем углу бермы, возникающей под давлением охранной конструкции, составляет порядка R=x1+1,2 Dо.к, где x1 – расстояние от начала бермы до центральной оси охранной конструкции, Dо.к – диаметр (ширина) охранной конструкции.
  5. Доказано, что за счет обоснованного увеличения расстояния установки ближнего ряда охранных конструкций до края бермы можно обеспечить некоторое увеличение устойчивости пород бермы повторно используемых выработок.
  6. Выявлено существенное влияние на напряженно-деформированное состояние пород бермы жесткости охранной конструкции, характеризуемой ее начальным модулем упругости. Зависимость имеет нелинейный характер и свидетельствует о том, что при переходе на охранные конструкции высокой прочности и жесткости (литые полосы, породные блоки и др.) в породах бермы происходит увеличение напряжений в зоне их влияния в 2 - 3 раза.
  7. На основании статистической обработки данных получено выражение для определения коэффициента упрочнения пород бермы в зоне влияния охранных конструкций, учитывающее глубину выработки, прочностные свойства пород, деформационные и геометрические параметры используемых охранных конструкций.
  8. На основе анализа распределения напряжений в породах бермы, включающих угольный пропласток, установлено, что его наличие приводит к увеличению максимальных напряжений в основных породах, непосредственно примыкающих к нему, росту горизонтальных смещений пород бермы внутрь выработки, при этом максимум увеличения смещений приходится на высотную отметку расположения «слабого» слоя.
  9. Доказано, что совместное влияние охранной конструкции и угольного пропластка приводит к возникновению концентраций напряжений в основных породах бермы. Максимальные напряжения наблюдаются в области пересечения вертикальной проекции задней грани охранной конструкции (относительно начала бермы) с плоскостью «слабого» слоя», расположенного на расстоянии 0,8 - 1,2 м от почвы пласта. Для этой области в результате исследований установлена нелинейная зависимость между отношением Е/Епр, где Е – модуль деформации основных пород; Епр – модуль деформации угольного пропластка, и величиной прироста напряжений.
  10. На основе анализа распределения напряжений в породах бермы, включающих систему вертикальных трещин, установлено, что их наличие вызывает значительный скачок напряжений в породах, расположенных непосредственно над и под зонами ослабления. Наиболее опасным положением вертикальной трещины является участок шириной порядка 0,2 - 0,3 м за проекцией задней грани охранной конструкции. В этом случае влияние охранной конструкции и зон ослабления складывается, возникают максимальные напряжения, а величина их прироста по сравнению с ненарушенным массивом достигает значений 1,5 - 3,0 даже при применении охранных конструкций небольшой жесткости.
  11. Выделено 5 категорий устойчивости пород бермовой части повторно используемых выработок, принимаемых в зависимости от: отношения γН/Rсж; расстояния Lб от ближней грани огранной конструкции до боковой поверхности бермы; начальной жесткости охранной конструкции, наличия в породах бермы угольных пропластков и систем вертикальных трещин, а также расчетного значения коэффициента упрочнения пород бермы, Купр. Для них разработаны 5 схем крепления, предусматривающих применение упрочняющей сталеполимерной анкерной крепи в сочетании с опорными элементами.
  12. Разработан паспорт крепи усиления конвейерного штрека № 113 шахты «им. М. Чиха», внедрение которого обеспечило безаварийную эксплуатацию выработки, повысило безопасность работ и позволило получить экономический эффект в размере 1,3 млн. руб. в ценах 2009 г.


Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
  1. Насонов А.А. Шахтные исследования процесса взаимодействия пород боковых конвейерных штреков и бермовых анкеров // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2010. – №4. – С.169 - 173.
  2. Насонов А.А. Оценка влияния параметров охранных конструкций на устойчивость бермовой части повторно используемых выработок // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. – 2009. – №1. – C. 114 - 115.
  3. Насонов А.А. Оценка устойчивости пород повторно используемых штреков при охране тумбами // Известия ТулГУ. Естественные науки. Серия «Науки о земле». – Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. – Вып. 5. – С. 101 - 104.
  4. Феоктистов В.М., Романова М.И., Насонов А.А., Тамков А.Ю., Авдеев С.Ю., Дижимесов А.В., Ларский К.В. О некоторых результатах реструктуризации угольной отрасли Восточного Донбасса // Перспективы развития Восточного Донбасса. Часть 1: сб. науч. тр. – Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ(НПИ), 2007. – С. 28 - 32.
  5. Верещагин В.С., Насонов А.А. Анализ напряженно-деформированного состояния массива после установки анкерной крепи // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: сб. науч. тр. Вып 14. – Донецк: Норд-Пресс, 2008. – С. 21 - 24.
  6. Насонов А.А. Анализ способов и конструкций, применяемых для охраны выемочных выработок // Перспективы развития Восточного Донбасса: сб. науч. тр. – Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2008. – С. 117 - 129.
  7. Насонов А.А. О влиянии деформационных свойств охранных конструкций на интенсивность напряжений в породах бермы повторно используемых выработок // Проблемы горного дела и экологии горного производства: Матер. IV междунар. науч.-практ. конф. (14-15 мая 2009 г., г. Антрацит). – Донецк: Вебер, 2009. – С. 174 - 177.
  8. Насонов А.А. Оценка устойчивости неоднородных пород бермовой части повторно используемых выработок // Перспективные технологии добычи и использования углей Донбасса: материалы Междунар. науч.-практ. семинара. – Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2009. – С. 174 - 178.
  9. Насонов А.А. Исследование напряженно-деформированного состояния пород бермы повторно исследуемых выработок с учетом фактического залегания пород // Перспективы развития Восточного Донбасса. Часть 1: сб. науч. тр. – Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2009. – С. 320 - 325.
  10. Насонов А.А. Анализ взаимодействия пород бермы повторно используемых выработок с охранными конструкциями различной жесткости // Перспективы развития Восточного Донбасса. Часть 1: сб. науч. тр.– Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2009. – С.325 - 330.
  11. Насонов А.А. Устойчивость пород в окрестности повторно используемой выработки с учетом их неоднородности // Перспективы развития Восточного Донбасса. Часть 1: сб. науч. тр.– Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2010. – С.153 - 157.





Насонов Андрей Андреевич



Повышение УСТОЙЧИВОСТИ ПОВТОРНО
ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ВЫРАБОТОК угольных шахт, сооружаемых с подрывкой почвы


Автореферат


Подписано в печать 21.03.2011.

Формат 60×84 1/16 Бумага офсетная. Печать цифровая.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 48-2449.


Отпечатано в ИД «Политехник»

346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132

Тел., факс (863-5) 25-53-03