Міністерство освіти і науки України

Національна гірнича академія України

ТУЛУБ Сергій Борисович

УДК 622.281:622.281

ГЕОМЕХАНІЧНІ ОСНОВИ

ТА ПРОСТОРОВО-ТЕХНОЛОГІЧНІ

РІШЕННЯ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ СТІЙКОСТІ

ВИРОБОК ВУГІЛЬНИХ ШАХТ У СКЛАДНОСТРУКТУРнИХ ТРІЩИНУВАТИХ

ПОРІДНИХ МАСИВАХ

Спеціальність 05.15.04 – “Шахтне та підземне будівництво”

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Дніпропетровськ-2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі будівельних геотехнологій і конструкцій

Національної гірничої академії України

Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Шашенко Олександр Миколайович,

завідувач кафедри будівельних геотехнологій і конструкцій Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України (м.Дніпропетровськ)

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Усаченко Борис Миронович,

завідувач відділу механіки гірських порід Інституту геотехнічної механіки НАН України (м. Дніпропетровськ)

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Друцко Віталій Павлович,

завідувач лабораторії проведення і кріплення горизонтальних і похилих

гірничих виробок Науково-дослідного інституту організації і механізації шахтного будівництва (м. Харків)

доктор технічних наук, професор

Бузило Володимир Іванович,

професор кафедри підземної розробки родовищ Національної гірничої

академії України Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Провідна установа: Донецький технічний університет

Міністерства освіти і науки України,

кафедра будівництва шахт і підземних споруд

Захист дисертації відбудеться 27 червня 2001р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 при Національній гірничій академії України Міністерства освіти і науки України (49027, Україна, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19)

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національної гірничої академії України

(49027, м. Дніпропетровськ, просп. К.Маркса, 19)

Автореферат розісланий “__27__” травня 2001р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент О.В.Солодянкін

Загальна ХАРАКТЕРИСТИКА роботи

Актуальність роботи. Рівень розвитку економіки України в значній мірі визначається ступенем забезпеченості енергоносіями, у т.ч. власними. В даний час переважна роль у паливному балансі належить природному газу, 75% якого імпортується з однієї країни (Росія). Частка ж споживаного вугілля, яке є єдиним вітчизняним енергоносієм, що є в достатній кількості, складає 27%, що в 1,5 рази нижче середньосвітового показника та у 2...2,3 рази нижче аналогічних показників США і Східної Європи. Не викликає сумнівів той факт, що в нових умовах господарювання, коли одним з основних критеріїв діяльності підприємств є максимізація доходу на тривалих проміжках часу, вони будуватимуть свою виробничу базу на максимальному використанні найбільш дешевих енергетичних ресурсів, тобто вугілля.

Крім енергетики значна частина вугілля, що видобувається в Україні, йде на коксування для металургійного виробництва. Продаж металу у виді готових виробів і напівфабрикатів забезпечує значну частину бюджетних надходжень. І, нарешті, великими споживачами вугілля є комунальні підприємства та населення, які, насамперед, зацікавлені в його достатній кількості та низькій ціні.

Відповідно до цього основними задачами, що стоять перед вуглевидобувними підприємствами, є збільшення видобутку і зниження собівартості вугілля.

Таким чином, наукові дослідження, спрямовані на комплексне вирішення цих задач, у т.ч. і шляхом підвищення стійкості підземних виробок і зниження витрат на виконання трудомістких ремонтних робіт, є актуальними і мають важливе народногосподарське значення.

Робота виконана відповідно до програми науково-дослідних робіт Національної гірничої академії України за держбюджетними темами ГП-207 "Оптимізація просторової орієнтації підземних виробок у структурно-неоднорідному породному масиві" (№ держреєстрації 0197U018306) та ГП-233 “Встановлення закономірностей гірського тиску в підготовчих виробках вугільних шахт, що знаходяться в зоні впливу очисних робіт” (№ держреєстрації 0198U005339).

Ціль досліджень полягає в створенні науково обґрунтованої геомеханічної концепції і напрямків розробки інженерно-технологічних рішень, що забезпечують раціональне використання літолого-механічних властивостей шарувато-структурних масивів при закладенні, кріпленні і довгостроковій експлуатації гірничих виробок вугільних шахт.

Основна ідея роботи полягає у використанні ефекту підвищення стійкості порідного масиву, послабленого підземними виробками, і системи “кріплення-порода” у цілому за рахунок вибору раціонального розташування виробок щодо елементів залягання складноструктурного масиву, його керованого розвантаження, і використання конструкцій кріплення з підвищеною несучою здатністю.

Об'єктом досліджень є стійкість підземних виробок різного призначення, проведених у складноструктурному порідному масиві.

Предметом досліджень є напружено-деформований стан системи “гірнича виробка-кріплення-порідний масив”.

Методи досліджень. Поставлена в дисертаційній роботі ціль досягнута шляхом застосування методів комплексного аналізу й узагальнення літературних даних і світового досвіду з дослідження стійкості гірничих виробок, аналітичних, лабораторних і натурних досліджень із залученням методів будівельної механіки, теорії подібності і розмірностей, теорії ймовірностей і статистики, механіки суцільного середовища.

Основні наукові положення, що захищаються в дисертації:

-

-

-

-

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується коректністю поставлених задач, використанням апробованих методів механіки суцільного середовища, статистики і теорії ймовірностей; задовільною (до 10…18%) збіжністю результатів аналітичних і натурних досліджень; адекватністю розроблених математичних моделей; результатами позитивного використання розробок у виробничій діяльності вугільних шахт.

Наукове значення виконаних досліджень полягає в наступному:

-

-

-

-

Практичне значення роботи.

1. Розроблено і впроваджено металеве аркове кріплення криволінійного обрису підвищеної несучої здатності для виробок, які експлуатуються в умовах здимання порід підошви.

2. Розроблено і впроваджено технологію нанесення плівкового покриття на поверхню порідних оголень, що дозволило зменшити у 1,5 рази інтенсивність підняття підошви виробок, які закладені у слабкометаморфізованих породах.

3. На основі аналізу стохастичних моделей розроблено і затверджено методику прогнозування обсягів ремонтних робіт у виробках з підошвою, що здимається.

4. Для гірничо-геологічних умов шахт ДХК “Шахтарськантрацит” розроблено і впроваджено рамно-анкерне кріплення для підготовчих виробок, які знаходяться у зоні впливу очисного простору лави, що дозволило у 30 % випадків використовувати їх повторно.

5. Для гірничо-геологічних умов шахт “ДХК “Шахтарськантрацит” та “Добропіллявугілля” запропоновано конструкцію багатошарового кріплення для виробок камерного типу, нову конструкцію фундаментів піднімальних машин та спосіб підвищення стійкості камер за допомогою компенсуючих виробок, що дозволило забезпечити довгострокову безремонтну їх експлуатацію.

6. Запропоновано новий спосіб розкрійки шахтного поля залежно від куту нахилу тріщин, які його перетинають, що дозволило у 1,5…2,0 рази зменшити обсяги ремонтних робіт.

Реалізація результатів досліджень. Результати досліджень реалізовані на шахтах ДХК “Добропіллявугілля”, “Шахтарськантрацит” і “Павлоградвугілля”. Методика прогнозу стійкості виробок із підошвою, що здимається, затверджена інститутом “Дніпродіпрошахт”.

Особистий внесок автора. Автором самостійно сформульовані мета і задачі досліджень, ідея роботи, її основні положення, висновки і рекомендації, програма лабораторних і натурних досліджень, розроблена методика і проаналізовані результати лабораторних досліджень, обрано методи аналітичних досліджень. Автор приймав безпосередню участь у розробці технічних засобів для проведення лабораторних робіт, виконанні теоретичних і експериментальних робіт, впровадженні результатів у виробництво. Зміст дисертації викладено автором самостійно.

Апробація результатів досліджень. Основні положення дисертаційної роботи доповідались, обговорені і схвалені на засіданнях науково-технічних рад ДХК “Добропіллявугілля”, “Шахтарськантрацит” і “Павлоградвугілля” у 1998…2000р., на засіданнях кафедри будівництва шахт і підземних споруд НГА України (1996…2000р.р.), а також на міжнародних симпозіумах “Неделя горняка” у 1997…2001р.р. (м.Москва) і “Mine Planning and Equipment Selection & Environmental and Economical Issues-99” (м.Дніпропетровськ), міжнародної науково-технічної конференції "Efficient driving of workings in difficult mining and geological conditions" у 2000 р. (м.Ширк, Польща), а також на I-й промисловій конференції "Ефективність реалізації наукового, ресурсного і промислового потенціалу в сучасних умовах" у 2001р. (с.Славське).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опублікована 31 наукова праця, у тому числі 25 - у спеціалізованих виданнях, 5 – у матеріалах міжнародних симпозіумів, 1 наукове відкриття.

Структура дисертації. Дисертація складається з введення, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел з 186 найменувань і 6 додатків. Вона містить 286 сторінок машинописного тексту, 83 малюнка та 23 таблиці.

Основний зміст роботи

У числі багатьох індикаторів економічної безпеки важливе місце належить рівню забезпеченості країни основними природними ресурсами і, у тому числі, енергоносіями. Це обумовлено, насамперед, обмеженістю природних ресурсів взагалі і різною забезпеченістю ними окремих держав світового співтовариства зокрема. Унаслідок цього виникає потенційна загроза постійного посилення економічної і політичної боротьби за користування цими ресурсами.

Рівень забезпеченості енергоносіями визначає не тільки національну безпеку країни, але й рівень розвитку її економіки. При цьому обсяги використання конкретного енергоносія визначаються його технологічними, екологічними характеристиками, попитом і ціною, а також можливістю видобутку на власній території.

Аналіз показує, що до 1960 р. у світовому енергоспоживанні переважає вугілля. Починаючи з 1965 р. на перше місце виходить нафта, а вугілля займає друге. В даний час на світовому ринку по обсягах споживання частка вугілля складає 30%, нафтопродуктів – 23,7%, природного газу – 22,6%. Визначна роль вугілля на ринку енергоресурсів обумовлена, насамперед, низькою і досить постійною його ціною, наявністю великих покладів, можливістю імпортування з багатьох стабільних джерел.

Трохи інша ситуація склалася в Україні. Як випливає з таблиці 1, основним первинним ресурсом в енергетиці країни в даний час є природний газ - 44,3%. Починаючи з 1975 р. частка вугілля в паливно-енергетичному балансі неухильно зменшується, незважаючи на те, що по обсягах видобутку вугілля в Україні завжди було домінуючим енергоресурсом (таблиця 1).

Таблиця 1

Споживання первинних паливно-енергетичних ресурсів в Україні (млн. т.у.п.)

Ресурси | Р О К И

1975 | 1980 | 1985 | 1990 | 1995 | 1998 | 1999 | 2000

Паливно-енергетичні

ресурси, усього | 287,4 | 323,1 | 349,4 | 353,0 | 226,3 | 198,1 | 197,3 | 196,2

100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100

Вугілля і продукти його

переробки | 136,4 | 129,6 | 108,4 | 92,7 | 60,5 | 52,6 | 51,3 | 50,2

47,4 | 40,1 | 31,0 | 26,3 | 26,7 | 26,6 | 25,7 | 25,2

Газ природний | 68,1 | 83,0 | 112,8 | 136,2 | 98,0 | 88,5 | 88,4 | 88,1

23,7 | 25,7 | 32,3 | 38,6 | 43,3 | 44, 6 | 44,5 | 44,3

Нафта і нафтопродукти | 66,2 | 86,5 | 90,5 | 79,9 | 33,9 | 20,4 | 20,5 | 20,3

23,0 | 26,8 | 25,9 | 22,6 | 15,0 | 10,3 | 11,7 | 12,7

Інше паливо | 13,3 | 14,6 | 16,5 | 15,7 | 6,5 | 5,6 | 5,4 | 5,2

4,6 | 4,5 | 4,7 | 4,4 | 2,9 | 2,8 | 2,7 | 2,6

Гідроенергія | 3,4 | 4,6 | 3,6 | 3,7 | 3,4 | 5,4 | 5,6 | 5,8

1,2 | 1,4 | 1,0 | 1,0 | 1,5 | 2,7 | 2,7 | 2,8

Атомна енергія | 0 | 4,8 | 17,3 | 24,8 | 24,0 | 25,6 | 25,6 | 25,1

0 | 1,4 | 5,0 | 7,0 | 10,6 | 12,9 | 12,9 | 12,4

Аналіз показує, що скорочення споживання вугілля в енергетиці, яке мало місце в 1985…1990 роках відбувалося зв'язку зі зростаючими обсягами імпорту газу з Росії і використанням ядерного палива. Звертає на себе увага те, що в багатій на вугілля Україні частка використання його при виробництві електроенергії (27%) майже в 1,5 рази нижче середньосвітового показника (40%) і в 2…2,5 рази нижче, ніж для США і Східної Європи.

В перспективі частка споживаного вугілля в енергетиці України буде зростати і складе до 2015 року 32,3%. Приймаючи до уваги світові тенденції у використанні вугілля і забезпечення енергетичної безпеки країни частка вугілля в енергетиці відповідно до державної програми “Вугілля” повинна бути доведена до 50%. При цьому обсяг видобутку вугілля може бути цілком забезпечений за рахунок власних ресурсів.

Крім енергетики, вугілля у значній мірі використовується для виробництва коксу, що забезпечує валютні надходження в бюджет за рахунок виробництва і продажу сталі, чавуну і виробів з них, для комунально-побутових потреб і інших споживачів (рисунок 1). Усе це ще більш підкреслює важливу роль вугілля в економіці України.

Рис.1. Розвідані запаси і розподіл видобутого вугілля в Україні

Вугільна промисловість України на даний час представляє багатогалузевий виробничо-господарський комплекс, у якому зайнято понад півмільйона трудящих. Потужність 70% шарів, що відпрацьовуються, не перевищує 1 м. Кожна третя шахта небезпечна по викидах. Умови видобутку вугілля по природних і технічних умовах дуже складні.

Аналізуючи ситуацію у вугільній промисловості на сьогоднішній день можна відзначити наступне. Видобуток вугілля за останні 5 років стабілізувався на рівні, приблизно, 80 млн.т. Кількість шахт зменшилась з 275 до 212 одиниць. Навантаження на очисні вибої зросло з 271 до 377 тис.т./м. Без удосконалювання всіх структурних елементів шахт і механізму керування ними подальше збільшення видобутку вугілля неможливо.

Одним з важливих елементів структури вугільної шахти є капітальні і підготовчі виробки, що забезпечують розкриття і підготовку шахтних полів. Як транспортні магістралі, вони забезпечують безперервність і надійність роботи шахт.

У комплексі виробок можна виділити три основні групи:

·

·

·

Основні відомості про стан розкриваючих і підготовчих виробок вугільних шахт України приведені на рис.2. З нього випливає, що з 1994 по 2000 р. загальна довжина підтримуваних виробок знизилася на 11 тис. км. через зменшення числа шахт і видобувних вибоїв. При цьому довжина виробок, що потребують ремонту, зросла з 4581км до 5892км, а відсоток виробок, що підлягають ремонту, зріс з 30,1 до 53,4. На трудомістких ремонтних роботах зайнято понад 11% підземних робітників і понад 70% робітників, зайнятих на проведенні і підтримці виробок.

За останні п'ять років річні обсяги проведення розкриваючих і підготовчих виробок стабілізувалися відповідно видобутку вугілля на рівні 540…560 км.

Аналіз показав, що основна причина ремонтних робіт у виробках на глибоких горизонтах шахт криється в наявності здимання порід підошви (70%) і невідповідності несучої здатності кріплення діючому навантаженню (30%).

Висновки, які наведені для галузі, у повній мірі розповсюджуються на роботу ДХК “Шахтарськантрацит” і “Добропіллявугілля”, які разом з холдінгом “Павлоградвугілля” були визначені, як базові для досліджень, що виконувались у дисертації.

Таким чином, проблема підтримки протяжних виробок в експлуатаційному стані не тільки залишається актуальною, але і набуває зростаючий характер.

Метою досліджень є розробка технічних засобів і способів підвищення стійкості комплексу капітальних і основних підготовчих виробок вугільних шахт, які забезпечують зниження собівартості вугілля, що видобувається.

Ідея, закладена в основу досліджень, складається у використанні закономірностей напружено-деформованого стану структурно-неоднорідного порідного масиву навколо виробок, що споруджуються і підтримуються, для визначення параметрів і способів підвищення їх стійкості.

Основні задачі досліджень відповідно виділеним групам виробок, полягають у наступному:

-

-

-

-

-

-

Істотною особливістю виробок, що знаходяться на великих глибинах, є наявність області зруйнованих порід, що утворюється між пружнодеформованою частиною масиву і кріпленням. Розміри цієї області, величини навантаження на кріплення і зсувів контуру виробки, наявність здимання порід підошви у значній мірі залежать від того, як протікає процес руйнування порід у приконтурній області. Дослідженням пружно-пластичного деформування порідного масиву навколо виробки та пов'язаного з цим видавлювання порід з боку підошви присвячені роботи В.Б.Бокія, В.Т.Глушка, Ю.З.Заславського, В.А.Литкіна, О.П.Максимова, А.М.Роєнка, В.Д.Слєсарєва, О.М.Шашенка й інших авторів.

У дисертації як базові використані детерміновані моделі і залежності, засновані на уявленні втрати пружно-пластичної стійкості порідного масиву, який ослаблений виробкою кругового обрису, що були отримані в роботах О.М.Шашенка. При цьому розмір області непружних деформацій визначається за формулою:

. (1)

де: - безрозмірний радіус зони непружних деформацій; - радіус зони непружних деформацій; - радіус виробки; - щільність порід; - глибина розташування виробки; - відпір кріплення; - межа міцності порід на одновісьовий стиск; - коефіцієнт структурного послаблення; - коефіцієнт зволоження; - параметр умов експлуатації виробки.

Він нелінійно залежить від параметра и, що враховує вплив вологи на міцність слабкометаморфізованих порід, характерних для шахт Західного Донбасу і Красноармійського регіонів шляхом введення коефіцієнта зволоження .

Критичний розмір зони непружних деформацій, після чого виробка втрачає стійкість і починається процес пластичного плину, чи здимання порід, визначається за теорією О.М.Шашенка за формулою:

rL*2 ln2 rL* - 2 = 0, (2)

де - середнє значення коефіцієнта розпушення порід, - критичне значення радіусу непружних деформацій.

Умова відсутності здимання у виробці має наступний вид: .

Аналіз показав, що є два шляхи, які можуть забезпечити підвищення стійкості виробки в породах, що здимаються. Це:

-

-

Один з ефективних способів підвищення міцності приконтурного масиву є ізоляція бічних порід від рудникової атмосфери, що дозволяє зберегти їх природну вологість і запобігти зниження міцності, неминуче у випадку слабкометаморфізованих порід. Для порід Західного Донбасу зниження міцності по даним, які отримані в ІГТМ НАН України, за рахунок збільшення природної вологості в три рази знижує міцність порід більш ніж у 5 разів. Для збереження природної вологості порід у приконтурній області була розроблена технологія нанесення спеціальних герметизуючих набризкбетонних цементно-піскових сумішей з полівініламідними добавками. Ця технологія пройшла іспити на шахтах ДХК “Шахтарськантрацит” і “Павлоградвугілля” з позитивним ефектом, що дозволило зменшити величину здимання порід підошви на 100…200 мм.

Другий шлях базується у тому, щоб збільшити підпір кріплення. Дослідженнями О.М.Ставрогіна доведено, що коефіцієнт об’ємного розпушення дуже чуткий до бокового тиску. Навіть невеликий його приріст забезпечує істотне зменшення зсувів на контурі виробки. Це можна забезпечити, застосувавши конструкції кріплень підвищеної несучої здатності.

Дослідження впливу форми найпоширенішого металевого кріплення на стійкість виробок було виконано на моделях з еквівалентних матеріалів. Як досліджувані варіанти були випробувано шість основних сполучень форм кріплення і перетинів виробок: 1 – аркової форми з вертикальними стояками; 2 – аркової форми з похилими стояками; 3 - аркової форми з вертикальними стояками і криволінійним лежнем; 4 – круглої з кільцевим кріпленням; 5 – аркової підковоподібної форми; 6 – круглої незакріпленої.

Підсумкові результати експериментів наведені на рис.3.

Рис.3. Характер деформування порід підошви протяжних виробок з різними

видами кріплення

Підковоподібна форма кріплення займає по стійкості проміжне положення між замкнутими конструкціями кріплення і незамкнутими. Таке кріплення не вирішує радикально проблему боротьби із здиманням порід підошви, але зменшують його прояви в 2…3 рази, що дозволяє знизити обсяги ремонтних робіт. Воно менш трудомістке при зведенні і, у цьому зв'язку, досить конкурентоздатне стосовно кільцевого кріплення. У цьому зв'язку підковоподібне кріплення (ПКА) у сполученні з ізоляцією бічних порід тонким набризкбетонним покриттям і було рекомендовано для застосування у виробках із підошвою, що здимається. Конструктивні параметри кріплення визначалися методом будівельної механіки. Як базовий варіант було прийняте кріплення КШПУ-14,4, що досить широко поширене на шахтах ДХК “Павлоградвугілля”. Для виконання шахтних іспитів було виготовлено 62 комплекта кріплення, що були встановлені в 840-м бортовому штреку шару горизонту 485м шахти “Західно-Донбаська” на ділянці довжиною 50 м із кроком установки 0,8 м. Примикали до експериментальної ділянки два контрольних: один з піддатливим п’ятизвенним кріпленням АППК, інший з кріпленням КШПУ. На ділянках були закладені замірні станції, що дозволяли оцінити деформацію кріплення в процесі формування навантаження. Результати вимірів показали, що рекомендоване кріплення ПКА у 1,5…2,0 рази краще забезпечує стійкість виробки з підошвою, що здимається.

Приведені вище результати містять дослідження, які припускають, що усі виробки знаходяться в однакових з погляду геомеханіки умовах. Здимання порід підошви у виробках, що відбуваються одночасно з формуванням навантаження на кріплення, є складним багатофакторним процесом, прояви якого в кожному контурному перетині виробки, у силу особливостей порідного середовища і умов на контакті “кріплення-порода”, є значною мірою випадковою його реалізацією.

У таких умовах неможливо говорити про повне забезпечення стійкості виробок і дуже важливою задачею є прогноз передбачуваних обсягів ремонтних робіт з метою їх планування й організації.

Оцінити стійкість виробки з підошвою, що здимається, у конкретному перетині S можна за допомогою коефіцієнта стійкості, який дорівнює відношенню граничного радіуса зони непружних деформацій до поточного - . З погляду здимання підошви виробка стійка при і нестійка при .

Через складність структури порідного середовища значення коефіцієнта стійкості змінюються від перетину до перетину випадково, утворюючи по довжині виробки випадкову функцію. Використовуючи співвідношення (1) і (2), одержуємо основну формулу для коефіцієнту стійкості:

. (3)

З неї випливає при яких значеннях и при слід очікувати здимання порід підошви. Однак у реальних умовах границя, яка поділяє наявність чи відсутність здимання пород підошви при “розмита” через ймовірнісну природу величин, що входять у формулу (3). Вираз (3) можна розкласти в ряд Тейлора навколо математичних чекань обумовлених величин радіусів зон непружних деформацій і і обмежитись з достатньою точністю лінійними членами цього розкладання:

. (4)

До цього виразу може бути застосована теорія лінійних перетворень випадкових функцій. У результаті таких перетворень отримано математичне чекання, кореляційна функція і дисперсія коефіцієнту стійкості, які є нелінійними функціями випадкових аргументу - .

У рамках досліджуваної статистичної моделі ймовірносна міра стійкості виробки визначається відношенням W довжини стійкої її частини до загальної довжини L: при W=1 виробка стійка і цілком нестійка при W=0.

Задача визначення величини W формулюється як задача про викиди випадкової функції за заданий рівень . У самому загальному виді величина показника стійкості визначається наступною формулою:

. (5)

У дисертації досліджуються виробки, що знаходяться в однакових умовах і поза зоною впливу очисних робіт. Це дозволяє вважати випадкові функції стаціонарними по довжині виробки. У попередніх дослідженнях, передбачалося, що показник стійкості розподілений за нормальним законом, щільність ймовірності для якого має такий вираз:

. (6)

З урахуванням (5) і (6) було отримано формулу для визначення величини ймовірнісного показника стійкості:

, (7)

де Ф(t) – функція Лапласа

Її графічна інтерпретація наведена на рис.4.

Однак, коефіцієнт стійкості являє собою позитивну величину, яка змінюється від 0 до ?. Область же зміни нормально розподіленої величини змінюється від - ? до + ?. Тому в дисертації була поставлена задача встановлення області застосування нормального закону в задачах дослідження стійкості виробок.

Аналіз основної формули (3) показав, що коефіцієнт варіації величини може приймати значення, яке істотно перевищує 0,33 (таблиця 2).

Таблиця 2

Значення ймовірності p, що відповідає меньшим або рівним значенням

припустумого коефіцієнта варіації K

P | 0,001 | 0,01 | 0,02 | 0,05 | 0,10 | 0,15 | 0,20

K | 0,33 | 0,43 | 0,47 | 0,62 | 0,77 | 1,00 | 1,20

Рис.4. Залежність ймовірносного показника стійкості від параметрів нормального закону розподілу

Але відомо, що нормальний закон може бути використаний, якщо значення коефіцієнта варіації досліджуваної величини не перевищують 0,33.

Аналіз відомих законів розподілу випадкових величин показав, що найбільш відповідає специфіці досліджуваних виробок закон розподілу Вейбулла. Він є трипараметричним на відміну від нормального і, як окремий випадок, може бути застосованим і для нормально розподілених випадкових величин. Його формула має вираз:

з щільністю

, (8)

де - параметр масштабу; - параметр форми.

Підставляючи його у формулу (6) одержимо вираз для визначення коефіцієнта стійкості W за умови застосування закону Вейбулла:

, (9)

де Г – гамма-функція.

Параметр форми пов’язаний із звичайним коефіцієнтом варіації таким чином

.

На рис.5 наведена графічна інтерпретація формули (9).

Рис.5. Залежність показника стійкості виробки W від величини коефіцієнта стійкості mk та параметра форми розподілу Вейбулла

Порівняльний аналіз двох залежностей наведений на рис.6. З нього випливає, що з ростом значення варіації коефіцієнта стійкості помилка від застосування нормального закону зростає і може перевищувати 30 %.

Рис.6. Оцінка помилки при визначенні величини W в залежності від

закону розподілу

Ці дослідження дозволили стверджувати що, у залежності від виду розподілу коефіцієнта стійкості, як випадкової величини, помилка при кількісній оцінці прогнозованих обсягів ремонтних робіт у протяжних виробках із підошвою, що здимається, отримані на основі ймовірносно-статистичних моделей, зростає по лінійному закону з ростом неоднорідності порідного середовища; при цьому для підготовчих виробок з достатньою точністю може бути застосований нормальний закон розподілу випадкових величин, а для капітальних – закон розподілу Вейбулла.

Підготовчі виробки в структурі шахти з погляду геомеханіки займають особливе положення в зв'язку з тим, що вони отримують додаткове навантаження від опорного тиску лави. Повторне використання підготовчих виробок дозволяє істотно скоротити їх довжину, зменшити обсяги ремонтних робіт, знизити собівартість вугілля, що видобувається в умовах дефіциту робочої сили і високої вартості прохідницьких робіт. Усе це визначило напрямок досліджень, що були пов'язані з вивченням закономірностей формування навантаження на металеве типове кріплення підготовчих виробок і розробкою способу підвищення їх стійкості з метою можливості повторного використання. Для цього виконано огляд досліджень в області підтримки підготовчих виробок, який показав, що позитивний ефект може бути досягнуто шляхом і застосуванням рамно-анкерного кріплення, яке дозволяє використовувати для збереження виробки несучу здатність порід, що вміщають.

Як об'єкти досліджень були обрані підготовчі виробки в умовах ш/у ім. XVII партз'їзду ДХК “Шахтарськантрацит”. Замірні станції обладнувалися в західному дренажному штреку, 10-м західному відкаточному штреку 11-й західної лави пл. k3 і 15-му східному конвеєрному штреку пл. k2. Для виробництва вимірів по всій довжині цих виробок були закладені, відповідно, 22, 41 і 38 пікетів – станцій. Станції являли собою виділені металеві рами з насічками на внутрішній поверхні. За спеціальною методикою з травня 1998 року по грудень 1999 року вироблялися виміри, що дозволили визначити характер деформації рам і рівень вигинаючих моментів в залежності від відстані до лави. Аналіз епюр згинальних моментів в арці в зоні впливу очисних робіт дозволив установити наявність істотної несиметрії зовнішнього навантаження. Це дозволило розробити відповідні розрахункові схеми і отримати формули, які дозволяють визначити кут, під яким спрямований головний вектор зовнішнього навантаження, і його величину.

Подальші дослідження були продовжені в напрямку вивчення закономірностей формування пружно-деформованого стану навколо штреку, який сполучається з лавою. Ця складна задача була вирішена в дисертації в пружно-пластичній постановці на основі модифікованого методу кінцевих елементів (МКЕ). В основі модифікації лежить уява про “жорстке” деформування гірських порід навколо виробки, що відбито в спадаючій ділянці діаграми руйнування. Для дослідження пружно-деформованого стану використана обчислювальна програма Cosmos/M. Процедура рішення реалізована у вигляді послідовності ітерацій. Знайдені компоненти напружень дозволили визначити розміри зони непружних деформацій відповідно до прийнятого критерію міцності:

(10)

де - еквівалентне напруження, - коефіцієнт крихкості.

Як базовий було використано рішення відповідної задачі для одиночної круглої виробки, яке виконано у роботах О.М.Шашенка. Обчислення показали, що досить 7…9 ітерацій для рішення поставленої задачі з 10% точністю.

Кінцевоелементна реалізація для рішення задачі відбиває всі особливості виробок, у яких вироблялися натурні виміри, і складається з 5776 елементів. Конфігурація зони непружних деформацій отримано з урахуванням реальних переміщень, які були взяті з наведених вище натурних експериментів. Окрім напружень і переміщень встановлювався розподіл коефіцієнта, що визначає ступінь руйнування пород, який оцінюється відношенням Після цього було змодельовано наявність у масиві одного анкера, спрямованого по напрямку дії головного вектора зовнішніх зусиль. На рис.7 показана картина повних переміщень для цієї задачі і картина просторового розподілу величини

Рис.7. Картина просторового розподілу величини еRс

Аналіз показав, що наявність одного анкера приблизно в два рази підвищує запас міцності пород навколо виробки і у 3…5 разів зменшує переміщення поблизу анкера.

На наступному етапі задача була ускладнена введенням ще одного анкера, положення якого варіювалося стосовно першого анкера. На рис.8 показана картина розподілу переміщень по всій досліджуваній області при наявності двох анкерів.

Рис.8. Розподіл відношення еRс при наявності двох анкерів

Установлено, що в цьому випадку переміщення на контурі виробки майже в 10 разів менше, ніж при наявності одного анкера. На рис. 9 показані криві, що відбивають переміщення на контурі виробки при відсутності анкерів та при наявності одного і двох анкерів.

Рис.9. Залелжність переміщень у ключі склепіння від кута установки

додаткових анкерів

При цьому анкер спрямований по лінії дії головного вектора зовнішніх зусиль під кутом 30…700 до вертикалі. Аналіз показав, що найкращим з погляду стійкості буде варіант, при якому другий анкер спрямований під кутом 900 до першого.

Установлені параметри рамно-анкерного кріплення були досліджені на експериментальних ділянках. Встановлено, що наявність двох анкерів підвищує на 60…70 % стійкість виробок, які, таким чином, можуть частково використовуватися повторно.

Виконані дослідження дозволили зробити обгрунтований висновок, який полягає у тому що: максимальна стійкість підготовчих виробок сполучених з лавою і закріплених металевим анкерним кріпленням, досягається шляхом установлення двох анкерів, з яких один жорстко зв'язаний з аркою і спрямований у бік відпрацьованого простору під кутом и від горизонталі уздовж лінії дії результуючого зовнішнього тиску, а другий – не зв'язаний з аркою і спрямований у масив під кутом .

Проблема стійкості є дуже актуальної для виробок камерного типу, закладених у слабких породах, що повсюдно є у структурі вугільних шахт України. Знаходячись на критичних шляхах вантажопотоків, вони істотно впливають на надійність функціонування шахт, горизонтів, ділянок. У таблицях 2 і 3 наведені дані про стан камер на шахтах ДХК “Шахтарськантрацит” і “Добропіллявугілля”, з яких випливає, що близько 22% камер знаходиться в незадовільному стані. Аналіз причин, що виводять їх з ладу, показав, що основні з них наступні: невідповідність кріплення діючому навантаженню (70 %) і здимання порід підошви (30 %).

Для вивчення пружно-деформованого стану порідного масиву навколо камер був прийнятий метод граничних елементів. Ступінь небезпеки руйнування порід оцінювалася за приведеним вище критерієм міцності (10). Ідея досліджень складалася в розміщенні навколо камер компенсаційних виробок, посилення кріплення камери й удосконаленні фундаментів устаткування, розташованого у виробках. Результати розрахунків наведені на рис.10.

Таблиця 2.

Кількість і стан камер на шахтах ДХК “Шахтарськантрацит”

Шахта | Всього камер, шт. | у т.ч. що мають стан | Незадовільний до загальної кількості, %

добрий | задовіль-ний | незадовільний

Шахтарська-Глибока |

21 |

5 |

16 |

--- |

---

ім.1 Травня | 36 | 5 | 28 | 3 | 8,33

Постниківська | 56 | 9 | 24 | 23 | 41,1

ім.XVII партз'їзда | 23 | 4 | 18 | 1 | 4,35

Шахтарська | 53 | 6 | 30 | 17 | 32,1

Вінницька | 13 | 2 | 11 | --- | ---

Разом по

холдингу |

202 |

31 |

127 |

44 |

21,8

Таблиця 3.

Количество и состояние камер подъемных машин

на шахтах ГХК “Добропольеуголь”

Шахта | Всього камер, шт. | у т.ч. що мають стан | Незадовільний до загальної кількості, %

добрий | задовіль-ний | незадовільний

Добропольская | 7 | 5 | 1 | 1 | 14,3

Алмазная | 9 | 5 | 2 | 2 | 22,2

Белицкая | 9 | 5 | 2 | 2 | 22,2

Белозерская | 9 | 2 | 4 | 3 | 33,3

Новодонецкая | 7 | 2 | 3 | 2 | 28,6

Пионер | 8 | 4 | 3 | 1 | 12,5

Итого по

холдингу |

49 |

23 |

15 |

11 |

22,4

Усього досліджувалося 18 варіантів розташування допоміжних виробок стосовно основного. Аналіз напруженого стану масиву з комплексом виробок показав, що при заданій глибині переважнішим виявляється варіант №18.

Оскільки викладена вище задача зважувалася в пружній постановці, а процес руйнування є пластичним, то були проведені додаткові дослідження на моделях із еквівалентних матеріалів. Усього було випробувано 56 моделей. За результатами вимірів були побудовані узагальнююча криві, приведені на рис.11.

Аналіз кривих показав, що наявність компенсаційних порожнин завжди знижує рівень напруг в околиці камери, що охороняється, однак у залежності від глибини розробки існує критична глибина, яка для заданих гірничо-геологічних умов дорівнює приблизно 500…550 м, вище якої допоміжні виробки доцільно розміщувати на рівні покрівлі камери, а нижче – на рівні підошви камери. При цьому координати розташування компенсаційних виробок, що мають ширину а, такі: а) -2а>х>-2,5а, -а>у>-1,5а; б) 2,5а>х>2а, -а>у>-1,5а.

Рис.11. Залежність зміщень (здимання підошви) від величини навантаження:

ряд 1 - без компенсаційних порожнин; ряд 2 - при розташуванні

покрівлі компенсаційних виробок нижче підошви камери; ряд 3 – те ж при розташуванні в районі покровлі камери

Викладені дослідження дозволяють стверджувати, що стійкість камер на вугільних шахтах достатньо надійно може бути регульована за допомогою двох компенсаційних виробок; при цьому, існує критична глибина розміщення камери, відносно до якого компенсаційні виробки необхідно розміщати на рівні покрівлі камери, що охороняється, а при більш глибокому розміщенні – на рівні її підошви. Для умов шахт ДХК “Шахтарськантрацит” критична глибина становить 500…550 м.

Для тривалого забезпечення стійкості камер рекомендується виконувати тампонаж закріпного простору. Цей захід дозволяє приблизно в 2 рази збільшити грузонесучу здатність кріплення стосовно типового. Крім того, запропоновано збірно-розбірні конструкції фундаментів піднімальних машин і інших важких механізмів, які встановлюються у камерах із підошвою, що здимається. Вони дозволяють експлуатувати піднімальні механізми при висоті підняття пород підошви до 700 мм.

При проектуванні горизонтів вугільних шахт традиційно вважалося, що стійкість виробок залежить, в основному, від глибини їх розташування, міцності порід, що вміщають,