НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНститут геотехнІчНОЇ механІки

ВІТУШКО Олег Вікторович

УДК 622.831:539.3

ПІДВИЩЕННЯ СТІЙКОСТІ ГІРНИЧИХ ВИРОБОК

В ЗОНАХ ШТУЧНОЇ ЗМІНИ ВЛАСТИВОСТЕЙ

ПОРОДНОГО МАСИВУ НАВКОЛО ОГОЛЮВАНЬ

05.15.11 – "Фізичні процеси гірничого виробництва"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ –2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті геотехнічної механіки НАН України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Левшин Олександр Олександрович,

Інститут прикладної математики і механіки

НАН України, завідувач відділом

академік НАН України,

доктор технічних наук, професор

Булат Анатолій Федорович,

Інститут геотехнічної механіки НАН України,

директор

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук

Колєсніков Володимир Григорович,

Інститут геотехнічної механіки НАН України,

завідувач відділом

кандидат технічних наук

Костиря Валентин Якович,

Макіївський науково-дослідний інститут

по безпеці робіт в гірничій промисловості,

завідувач сектором

Провідна установа: Комплексний науково-дослідний і

технологічно-конструкторський інститут по

проблемам Центрального району Донбасу

Міністерства палива та енергетики України,

м. Горлівка

Захист відбудеться 30 березня 2001 р. о 13 год. 30 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.188.01 Інституту геотехнічної механіки НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольска, 2а, факс (0562) 462426.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту геотехнічної механіки НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольска, 2а.

Автореферат розісланий 28 лютого 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук Перепелиця В.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Забезпечення експлуатаційного стану шахт на протязі всього терміну їх функціонування є одним з важливих факторів, що визначають стан вугільної промисловості України та перспективи подальшого розвитку галузі. Погіршення стану гірничих виробок вимагає невідкладного проведення ремонтних робіт, що, крім необхідності додаткових витрат коштів і праці, приводить до утрати виробничої потужності шахт, тобто до суттєвого зниження видобутку вугілля. Цей показник тільки в умовах Донецького вугільного басейну перевищив 20 %.

Постійне збільшення глибини ведення гірських робіт визиває додаткові складності у вирішенні перелічених питань. Збільшення глибини видобутку корисних копалин на шахтах Донбасу кожний рік в середньому складає 10-15 %. Тому на багатьох шахтах Донецького басейну глибина видобутку вугілля досягає 700 м, а на деяких шахтах перевищує 1000 м. Слід відзначити, що уже на глибині 700 м характер проявлення гірського тиску на вугільних шахтах Донбасу суттєво змінюється. Якщо до досягнення указаної глибини зони зруйнованих гірських порід поблизу виробок відносно невеликі і розміщуються переважно в покрівлі виробки, то проявлення гірського тиску на великих глибинах приводить до значного зниження стійкості гірничих виробок, підтримку яких в задовільному експлуатаційному стані удається забезпечити тільки при їх багаторазовому перекріпленні. Тому проблема підвищення стійкості гірничих виробок і підтримка їх в експлуатаційному стані на діючих шахтах, а також при проектуванні нових шахт та горизонтів є актуальною.

Звўязок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана згідно з планами науково-дослідних робіт Інституту геотехнічної механіки НАН України, затверджених відділенням механіки Президії НАН України, протокол №5, §3, п. 1 від 20.12.97 р. (№ держреєстрації 0198U002905) та протокол №8, §3, п. 1 від 13.05.99 р.

Ідея роботи полягає в використанні співвідношення параметрів зон природної та штучної зміни властивостей масиву в приконтурних областях для підвищення стійкості порід навколо виробок.

Метою роботи є підвищення стійкості гірничих виробок в зонах штучної зміни властивостей породного масиву навколо оголювань.

Обўєктом дослідження є масив гірських порід та фізичні процеси, які відбуваються поблизу гірничих виробок.

Предмет дослідження – стійкість гірничих виробок.

Для досягнення поставленої мети розвўязувалися такі задачі:

1. Установити закономірності зміни напружено-деформованого стану масиву навколо оголювань від пружно-пластичних властивостей та потужності шару порід.

2. Установити кількісні звўязки параметрів природної та штучної пластичних зон в приконтурній області анізотропного масиву з фізико-механічними властивостями і напружено-деформованим станом порід.

3. Розробити методичні основи оцінки та рекомендації по прогнозуванню стійкості та вибору технічних рішень по підтримці виробок в зонах зміни властивостей порід.

4. Провести експериментальну перевірку методичних основ по прогнозуванню стійкості гірничих виробок та їх впровадження на шахтах Донбасу.

Методи досліджень. Для вирішення поставлених задач застосовувався комплекс методів: аналіз та узагальнення результатів сучасних досліджень, методи теорії пружності та пластичності анізотропного тіла, математичного моделювання і математичної статистики, а також апробовані методи експериментальних досліджень.

Основні наукові положення, що виносяться на захист:

1. Зміна напружень в приконтурній області породного масиву звўязана із штучною зміною пружно-пластичних властивостей порід гіперболічною, а зміна відстані максимуму опорного тиску від контура виробки – лінійною залежностями. Найбільш інформативним параметром в цих середовищах є пластична стала середовища – межа його текучості, що характеризує ступінь стійкості масиву в приконтурній області.

2. Очікувані прогнозні зміщення контура виробки в зонах штучної зміни пружно-пластичних властивостей порід находяться в експоненціальній залежності від її межі текучості, приросту напружень в результаті дії гірського тиску та часу експлуатації виробки, а також лінійно залежать від кута падіння пласта. Величина зміщень визначається емпіріоаналітичною залежністю, яка дозволяє отримати вихідну інформацію для вибору типу кріплення при підтримуванні виробок в зонах штучної зміни пружно-пластичних властивостей гірських порід.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

· Вперше установлені кількісні звўязки параметрів природної та штучної пластичних зон в приконтурній області анізотропного гірського масиву з характеристиками пружно-пластичних властивостей та напружено-деформованого стану порід, що дозволяє обгрунтувати та установити показники оцінки і прогнозу стійкості виробок.

· Установлені закономірності зміни напружень в зоні максимуму опорного тиску та його положення по відношенню до контура виробки в залежності від межі текучості порід, які полягають в тому, що напруження при збільшенні межі текучості зменшуються по гіперболічному закону, а відстань максимуму опорного тиску від контура виробки зростає по лінійному.

· Вперше по закономірностях зміни характеристик деформування та напруженого стану порід від величини пластичного показника - межі текучості порід – одержані емпіріоаналітичні залежності оцінки та прогнозу стійкості масиву по очікуваним зміщенням контура виробок при локальній направленій зміні пружно-пластичних властивостей.

· Вперше розроблені методичні основи оцінки деформування масиву та вибору технічних рішень по забезпеченню стійкості виробок при штучній зміні властивостей порід навколо оголювань.

Наукове значення роботи полягає в установленні закономірностей зміни напруженого стану та деформування масиву від характеристик штучної зміни пружно-пластичних властивостей порід і межі їх текучості – інформативного параметра, що характеризує ступінь стійкості гірничих виробок та дозволяє вести прогнозну оцінку зміщень їх контура в зонах зміни властивостей породного масиву.

Практичне значення дисертації полягає в наступному:

· на основі установлених закономірностей звўязку межі текучості порід в приконтурній області масиву із штучно зміненими його пружно-пластичними властивостями та станом розроблена класифікація порід по стійкості в залежності від межі їх текучості та приросту напружень;

· розроблені та впроваджені методичні основи, які відбивають реальні механізми проявів гірського тиску, та рекомендації по оцінці стійкості гірничих виробок і вибору технічних рішень по її підвищенню в зонах штучної зміни властивостей порід.

Реалізація висновків та рекомендацій роботи. Результати роботи реалізовані у вигляді рекомендацій по підтримуванні виробок в умовах розробки вугільних пластів шахт ім. В.І. Леніна, ім. Ю.О. Гагаріна, ім. К.А. Румянцева, ім. О.І. Гайового, “Комсомолець“, які впроваджені при проведенні виробок по пластах з гідророзпушуванням та бурінням дренажних свердловин, а також при їх підтримуванні в зонах розкриття в умовах шахт ДХК “Артемвугілля”.

Особистий внесок автора.

Як виконавець науково-дослідних робіт, дисертант приймав безпосередню участь в обгрунтуванні та розробці методичних основ вибору технічних рішень по підвищенню стійкості виробок при штучній зміні властивостей порід навколо оголювань. Ним самостійно сформульована мета, задачі досліджень, наукові положення і висновки, виконано аналіз чисельних розрахунків та емпіріоаналітичне їх подання, а також розроблені методичні положення і рекомендації. Зміст дисертації викладено автором особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідалися на Міжнародній науково-практичній конференції “Інженерний захист територій, обўєктів у звўязку з розвитком небезпечних геологічних процесів” (Ялта, 1999 р.), на Міжнародній науково-практичній конференції “Оцінка екологічного стану довкілля при реструктуризації вугільної промисловості. Методи захисту та обновлень” (Славўяногорськ, 1999 р.), на конференції “Надійність машин, обладнання, механізмів” (Славське, 2000 р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 8 статей та 1 монографія, із яких 6 робіт в наукових фахових виданнях.

Структура та обўєм дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновку і двох додатків, містить 129 сторінок машинописного тексту, у тому числі 25 ілюстрацій на 25 сторінках, 12 таблиць, 14 сторінок додатків та список використаних джерел із 114 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ дисертації присвячений аналізу сучасного стану питання по забезпеченню стійкості приконтурної зони масиву порід та вибору напрямку досліджень.

Для вугільної промисловості характерні умови, при яких часто для кожної структури, району, регіону необхідно окремо визначати комплекс ефективних заходів по забезпеченню стійкості виробок.

Питанням оцінки стійкості оголювань масиву гірських порід велику увагу в своїх дослідженнях приділяли В.Т. Глушко, Ж.С. Єржанов, Ю.З. Заславський, К.В. Кошелєв, Ю.М. Ліберман, О.П. Максимов, Г.Н. Савін, В.Д. Слєсарєв, І.Л. Черняк, а також закордонні учені Р. Квапіл, А. Лабасс, Р. Феннер та інші.

Наступні роботи І.В. Баклашова, А.Ф. Булата, В.В. Виноградова, А.М. Зоріна, М.П. Зборщика, Б.А. Картозії, В.Г. Колєснікова, К.В. Кошелєва, Л.В. Новікової, О.Г. Протосені, А.М. Ставрогіна, Z.T. Bieniawski направлені на більш глибоке вивчення стійкості виробок і вплив на неї зміни пружно-пластичних властивостей порід, в тому числі і знеміцнення в приконтурній зоні масиву.

Рівень сучасних теоретичних знань в області механіки гірських порід, зокрема, рішення задач пластичності анізотропного масиву, дає можливість провести якісну та кількісну оцінку напружено-деформованого стану в звўязку із зміною властивостей порід або окремого шару, одержання вихідної інформації для аналізу стійкості масиву в приконтурних зонах. Великий внесок в розвиток цього напрямку внесли О.С. Космодаміанський та його учні С.В. Кузнєцов, О.О. Левшин, Н.С. Хапілова та інші.

Хоча проблемою розробки методів та засобів підвищення стійкості масиву в приконтурних зонах і дослідженнями їх ефективності успішно займалися О.Д. Алексєєв, А.Т. Айруні, Г.Г. Литвинський, В.І. Ніколін, В.М. Потураєв, В.В. Рєпка, Б.М. Усаченко і на цей час накопичено великий досвід, знання і дані по направленій штучній зміні властивостей і стану порід в приконтурних зонах при веденні гірських робіт в складних гірничо-геологічних умовах, необхідні додаткові дослідження і розробки в напрямку вибору інформативних показників оцінки зміни властивостей порід та ступеня стійкості масиву в приконтурних областях гірничих виробок в процесі подальшої експлуатації підземних споруд.

У звўзку з цим другий розділ дисертації присвячений аналітичним дослідженням напружено-деформованого стану масиву в приконтурних областях гірничих виробок.

Для установлення закономірностей зміни стану масиву, його стійкості при зміні пружно-пластичних властивостей розглянута задача про формування зон пластичного деформування в крайовій частині шару при його стисненні вміщуючими породами.

Таке моделювання виробки в складному анізотропному масиві та зміна стану в локальних зонах приконтурної області, в першому наближенні, відповідає реальним умовам.

Чисельний розвўязок з використанням ЕОМ дозволило для умов анізотропного масиву гірських порід з наявністю в приконтурній області двох пластичних зон (природної та штучної) установити кількісні звўзки параметрів цих зон з характеристиками пружно-пластичних властивостей та напружено-деформованого стану породного масиву. Необхідний збіг одержаних даних з тестовими задачами та експериментальними результатами автора та інших дослідників свідчить про достовірність виконаного розвўязку. Установлено, що зміною пружно-пластичних властивостей масиву в приконтурних областях можна направлено регулювати параметри зон пластичного деформування та зміняти характеристики стану масиву в них, які відповідальні за стійкість.

Для анізотропного масиву при штучній зміні його пружно-пластичних властивостей найбільш чутливою та інформативною характеристикою зміни стану масиву є межа текучості Tn в перпендикулярному до нашарування напрямку; для ізотропного масиву і в площині нашарування зміна параметрів пружно-пластичних зон сягає 40 %, при урахуванні анізотропії пружно-пластичні параметри змінюються в 10 і більше разів.

Звўязок глибини профілактичної обробки шару корисних копалин при підготовці початку проведення очисних робіт із розмірами зон пластичності слабкий і виражається співвідношенням 5:1,4. Межа текучості масиву в приконтурній області звўязана з максимальними напруженнями в зоні опорного тиску гіперболічною залежністю, а з положенням максимуму опорного тиску – лінійною.

З метою виявлення впливу зміни потужності пласта на стійкість масиву гірських порід розвўязана задача визначення напружено-деформованого стану анізотропного масиву поблизу виробки з горизонтальним шаром, потужність якого змінюється і який розташований на глибині H від денної поверхні. Ця задача також була зведена до системи двох трансцендентних рівнянь, результати чисельного розвўязку яких наведені на рис. 1. Їх аналіз показує, що зміна в боках виробки глибини зони пластичого деформування в найбільшій мірі дається взнаки в зоні із збільшеною потужністю і носить гіперболічний характер з асимптотичним зображенням закономірностей при показникові пластичності Тп > 40 МПа і співвідношенні потужностей шарів h1/h2 > 1,5.

У третьому розділі, присвяченому експериментальним дослідженням ефективності методів оцінки зміни властивостей порід в приконтурних областях масиву, виконана оцінка характеристик зміни властивостей і поведінки порід в граничному стані. Для межі текучості порід, яка є інформативною характеристикою і визначає зміну пружно-пластичного стану масиву, одержано вираз, який має вигляд

,

де E - модуль Юнга;

n - коефіцієнт Пуассона;

Kp – коефіцієнт розпушування;

s1, s2, s3 – компоненти головних напружень.

Із наведеної залежності виходить, що із збільшенням модуля пружності і коефіцієнта Пуассона показник пластичності Tn зростає, а із збільшенням коефіцієнта розпушування – спадає.

По багаточисельним даним по деформуванню порід непружна їх поведінка характеризується трьома видами: крихке і псевдокрихке руйнування; переривчасте ковзання; пластична і псевдопластична течія. Всі вони суттєво відрізняються по фізичному механізму і характеристикам, але загальним є непружне деформування порід, яке супроводжується необоротними процесами. Про це свідчать усереднені по пробам і по видам деформування дані випробувань зразків аргіліта та алевроліта на стиск, які проведені на жорстких випробувальних пресах. Аналіз одержаних результатів показує, що найбільш суттєва відмінність в характеристиках спостерігається по модулю пружності, і, крім того, підтверджує висновок, одержаний в результаті теоретичних досліджень, що межа текучості може служити інформативним параметром властивостей і стану порід. На рис. 2 наведені дані шахтних спостережень за конвергенцією у виробках, які піддані штучній направленій зміні властивостей і стану шарів порід: при зволоженні і обробці полімерними, гелевими розчинами і розчинами смол; ущільненні анкерами з підхватами при різних їх довжинах, щільності установки та зусиллях опору; щілинній розгрузці у підошві, кутках, боках і т. д. Основним показником, який характеризує зміну властивостей порід в цих випадках, була прийнята межа текучості (Tn).

Рис. 1. Залежності зміни глибини зони пластичного деформування

в боках виробки із зменшеною (1) і збільшеною (2) потужністю шару:

а) при зміні співвідношення потужностей; б) від межі текучості порід Tn

Таким чином, експериментальними дослідженнями установлено, що межа текучості порід при штучній зміні їх пружно-пластичних характеристик знаходиться в лінійній залежності від приросту напружень, параболічній – від вологості, граничних деформацій та експоненціальній від зміщень масиву навколо виробок.

Слід зазначити, що одержані величини зміщень спостерігаються в перші дні після проходки виробки, з часом вони зростають і для малих значень Tn можуть досягати значень від 1000 до 1500 мм. Одержана закономірність може бути використана для прогнозу стійкості масиву при зміні його пружно-пластичних властивостей.

Виявлені найбільш оперативні методи визначення межі текучості порід як основної характеристики зміни їх пружно-пластичних властивостей при профілактичній обробці породного масиву. Перший метод, який полягає у випробуванні зразків порід на стиск, рекомендується застосовувати в лабораторних випробуваннях для більш точного визначення межі текучості порід, другий – експрес-метод розколювання зразків шляхом проникнення індентора може бути застосований і безпосередньо в шахтах.

По закономірностям зміни характеристик деформування і стану порід в залежності від пластичного показника – межі текучості порід – установлена емпіріоаналітична залежність очікуваних зміщень контура виробок при локальній направленій зміні пружно-пластичних властивостей вміщуючих порід

,

де 0 < Tn < 40 МПа;

Ds – приріст напружень, що перевищують гірський тиск на глибині 700 м, МПа;

a – кут залягання пласта, 40° < a < 80°;

t – час експлуатації виробки, доба;

Коефіцієнт кореляції r » 0,75.

Одержана залежність є визначальною в оцінці та прогнозі стійкості виробок в зонах зміни пружно-пластичних властивостей порід в результаті зволоження, зміцнення, розпушування (гідравлічного, буровибухового та ін.) і т.п. Знаючи величини очікуваних зміщень контура виробок, можна по діючим нормативним документам реалізувати вибір кріплення для підтримання виробок в умовах штучної направленої зміни властивостей порід в перерізі виробки.

Розділ четвертий присвячений розробці методичних основ оцінки і підвищення стійкості масиву в приконтурних зонах із зміненими властивостями гірських порід.

Промислова перевірка та впровадження розроблених основ і рекомендацій проводились в умовах шахт ДХК “Артемвугілля“ в Центральному районі Донбасу. В основному це були шахти ім. В.І. Леніна, “Комсомолець“, ім. О.І. Гайового, ім. К.А. Румянцева, ім. Ю.О. Гагаріна. Випробування проходили в зонах розкриття пластів з використанням дренажних свердловин та інших заходів, а також в підготовчих виробках.

Виконаний комплекс досліджень дозволяє подати схематичний механізм поведінки порід із змінами властивостей в приконтурних зонах в такому вигляді. В умовах великих глибин застосування різних профілактичних заходів при веденні гірських робіт (зміцнення, гідрообробка, розвантаження щілинами та інш.) приводить до локальної зміни пружно-пластичних властивостей та накладання на природну зону пластичного деформування штучної, що приводить до зміни граничного стану порід, їх пластичної течії та руйнування. При цьому поблизу оголювань змінюються параметри зон різного деформування, що формуються, а це впливає на стійкість масиву.

Установлені закономірності звўязку характеристик пластичності порід з деформуванням та станом порід в приконтурних зонах, їх аналіз та узагальнення дозволили розробити метод прогнозу стійкості масиву гірських порід, що враховує реальні механізми проявів гірського тиску, і запропонувати класифікацію порід по стійкості в залежності від межі текучості та приросту напружень (табл. 1).

Таблиця 1

Класифікація стійкості порід, вміщуючих виробки

Значення показників Зміщення контура виробки до моменту її закріплення, мм Породи

межа текучості Тп, МПа приріст напружень Ds, МПа

до 5 не суттєво понад 500 сильно нестійкі

5-7 до 2 200-400 нестійкі

7-12 2-8 100-200 середньостійкі

понад 12 більше 8 менше 100 стійкі

По установленому класу порід з урахуванням сучасних розробок по підтриманню виробок визначається рекомендований тип кріплення.

Застосування для підтримання виробок кріплення із збільшеною несучою здатністю в зонах із зміненими пружно-пластичними властивостями (розкриття викидонебезпечних пластів з гідророзпушуванням чи бурінням дренажних свердловин, проведення виробок по викидонебезпечних пластах з гідророзпушуванням) дозволяє підвищити стійкість виробок в два та більше разів (рис. 3). При цьому конвергенція масиву в виробках на протязі 1-1,5 років не перевищує 200 мм.

Використання рекомендацій по вибору типу кріплення для підтримання виробок в зонах штучної зміни пружно-пластичних властивостей порід в умовах 17 розкриттів пластів і на протязі 899 м виробок показало їх достатню ефективність: стійкість виробок підвищилась вдвічі, експлуатаційна їх здатність зберігається на протязі не менше 1,5-2 років.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій роботи підтверджуються:

- застосуванням апробованих методів теорії пружності, пластичності і методів математичного моделювання при аналітичних дослідженнях;

- статистично надійним обўємом проведених експериментальних досліджень в умовах шахт Донбасу. Залученням при обробці результатів вимірювань методів математичної статистики;

- погодженням і збіжністю одержаних результатів при теоретичних та експериментальних методах дослідження. Відхилення результатів різних видів вимірювань не перевищує 25 %;

- застосуванням апробованих засобів і методів вимірювання при експериментальних дослідженнях.

Рис. 3. Залежність зміщень контура підготовчих виробок в зонах

гідророзпушування вугілля при паспортному кріпленні виробок (1)

та з урахуванням зміни пружно-пластичних властивостей (2)

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій приведено новий розвўязок актуальної науково-технічної задачі по підвищенню стійкості гірничих виробок в зонах штучної зміни пружно-пластичних властивостей породного масиву навколо оголювань. Цей розвўязок базується на використанні установлених закономірностей зміни напружено-деформованого стану породного масиву в залежності від штучної зміни його пружно-пластичних властивостей при проведенні різних профілактичних заходів по підвищенню стійкості гірничих виробок.

Основні результати досліджень зводяться до наступного:

1. Вперше одержано розвўязок задачі по оцінці напружено-деформованого стану масиву, що вміщує шар корисних копалин із штучно зміненими пружно-пластичними властивостями в приконтурній області анізотропного пружно-пластичного середовища. Установлені закономірності зміни напружень в зоні максимуму опорного тиску та його положення по відношенню до контура виробки в залежності від межі текучості, що полягає в тому, що напруження при збільшенні межі текучості спадають по гіперболічному закону, а віддаль максимуму опорного тиску від контура виробки зростає по лінійному.

2. Установлено, що найбільш інформативним показником, що в необхідних і достатніх межах характеризує зміну стану масиву, його деформованість та стійкість при утворенні в приконтурних областях природної та штучної пластичних зон, є межа текучості в перпендикулярному до нашарування напрямку: для ізотропного масиву і в площині нашарування зміна параметрів зон пластичності досягає 40 %, при урахуванні анізотропії межа текучості змінюється в 10 и більше разів.

3. Вивчені закономірності зміни межі текучості порід у звўязку із зміною їх пружних властивостей, напруженості та деформованості. Установлено, що вона знаходиться в лінійному звўязку з приростом напружень, параболічному - з величинами вологості, граничних деформацій та експоненціальному із зміщеннями масиву навколо виробки.

4. Одержана емпіріоаналітична залежність, що звўязує очікувані прогнозні зміщення контура виробки в зонах штучної зміни пружно-пластичних властивостей порід з межею текучості, величиною приросту напружень, терміном експлуатації виробки та кутом залягання відроблюванних пластів.

5. Розроблені методичні положення визначення показника пластичності на основі застосування класичних методів випробування зразків порід на стиск та по проникненню конічних інденторів в зразки, а також прогнозної оцінки конвергенції масиву у виробки в зонах штучної зміни властивостей порід.

6. Розроблені методичні основи оцінки стійкості порід в зонах штучної зміни пружно-пластичних властивостей та вибору типу кріплення для підтримки виробок в них, які лягли в основу рекомендацій для умов розробки вугільних пластів Центрального району Донбасу. Рекомендації впроваджені при підтримуванні виробок в зонах розкриття пластів та проведенні їх по пластах с гідророзпушуванням і бурінням дренажних свердловин в умовах шахт ДХК “Артемвугілля“ ім. В.І. Леніна, ім. О.І. Гайового, ім. К.А. Румянцева, ім. Ю.О. Гагаріна, “Комсомолець“.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ НАУКОВИХ РОБІТ,

ЩО ВІДОБРАЖАЮТЬ ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Повышение устойчивости повторно используемых выработок на шахтах Центрального района Донбасса / С.Н. Александров, А.К. Носач, В.М. Куц, О.В. Витушко и др. // Известия Донецкого горного института. - 1997. - №2(6). - С.14-18.

2. Левшин А.А., Витушко О.В., Федоров С.Н. Напряженно-деформированное состояние массива горных пород при разработке пласта полезного ископаемого с изменяющимися упруго-пластическими свойствами // Геотехническая механика. Сб. науч. тр. ИГТМ НАН Украины. - Днепропетровск. - 1999. - Вып.13. - С.3-12.

3. Левшин А.А., Витушко О.В., Нескоромная Е.А. Напряженно-деформированное состояние анизотропного массива горных пород при разработке пласта полезного ископаемого с изменяющейся мощностью // Геотехническая механика. Сб. науч. тр. ИГТМ НАН Украины. - Днепропетровск. - 1999. - Вып.15. - С. 3-12.

4. Витушко О.В., Семененко Е.В. Использование регулируемых насосных установок для предотвращения опасных гидрогеологических процессов на территории выводимых из эксплуатации шахт // Труды Международной научно-практической конференции “Инженерная защита территорий, объектов в связи с развитием опасных геологических процессов“. - Ялта. - 1999. - С.22-24.

5. Витушко О.В., Семененко Е.В. Снижение экологической опасности хвостохранилищ и шламонакопителей шахт и обогатительных фабрик // Труды Международной научно-практической конференции “Оценка экологического состояния окружающей среды при реструктуризации угольной промышленности. Методы защиты и обновления“. - Славяногорск. - 1999. - С.40-42.

6. Витушко О.В., Семененко Е.В. Предотвращение кавитации в насосах, перекачивающих гидросмеси // Уголь Украины. - 1999. - №11-12. - С.53-55.

7. Булат А.Ф., Витушко О.В. Использование закономерностей изменения пластических зон в пласте полезного ископаемого для повышения устойчивости массива // Геотехническая механика. Сб. науч. тр. ИГТМ НАН Украины.-Днепропетровск. - 1999. - Вып.18. - С. 3-5.

8. Смирнов В.В., Витушко О.В. Систематизация факторов, определяющих надежность горнодобывающей техники // Материалы конференции “Надежность машин, оборудования, механизмов“. - Славское. - 2000. - С.104-105.

9. Булат А.Ф., Витушко О.В., Гоман О.Г. Напряженно-деформированное состояние анизотропного породного массива при отработке угольных пластов. - Днепропетровск: Полиграфист, 2000. - 216с.

ОСОБИСТИЙ ВНЕСОК АВТОРА В РОБОТИ,

ЩО ОПУБЛІКОВАНІ У СПІВАВТОРСТВІ:

(1,2,6,9) – теоретичні дослідження, участь в експериментах; (3,4,5,7,8) – участь у постановці задач та експериментах.

АНОТАЦІЯ

Вітушко О.В. Підвищення стійкості гірничих виробок в зонах штучної зміни властивостей породного масиву навколо оголювань. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.11 – “Фізичні процеси гірничого виробництва”. – Інститут геотехнічної механіки Національної академії наук України, Дніпропетровськ, 2001.

Дисертація присвячена вирішенню важливої науково-технічної задачі, звўязаної з підвищенням стійкості гірничих виробок в зонах штучної зміни пружно-пластичних властивостей породного масиву навколо оголювань.

В роботі виконані дослідження напружено-деформованого стану масиву навколо оголювань при зміні пружно-пластичних властивостей та потужності шару порід. Установлені закономірності зміни параметрів напружено-деформованого стану масиву в приконтурних зонах від штучної зміни властивостей порід, межі їх текучості – інформативного показника, який дозволяє вести прогнозну оцінку зміщень порід навколо оголювань.

Розроблена класифікація стійкості порід по межі їх текучості та приросту напружень, а також методичні основи і рекомендації по оцінці стійкості та вибору технічних рішень по її підвищенню в зонах направленої зміни властивостей порід.

Результати роботи пройшли апробацію в умовах розробки вугільних пластів Донбасу і впроваджені при проведенні та підтримуванні виробок в пластах ДХК “Артемвугілля”.

Ключові слова: породний масив, напружено-деформований стан, пружно-пластичні властивості, стійкість гірничих виробок.

АННОТАЦИЯ

Витушко О.В. Повышение устойчивости горных выработок в зонах искусственного изменения свойств породного массива у обнажений. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 – “Физические процессы горного производства”. – Институт геотехнической механики Национальной академии наук Украины, Днепропетровск, 2001.

Диссертация посвящена решению важной научно-технической задачи, связанной с повышением устойчивости горных выработок в зонах искусственного изменения упруго-пластических свойств породного массива у обнажений.

В диссертации, на основе аналитических исследований напряженно-деформированного состояния массива при изменении упруго-пластических свойств и мощности слоя пород, установлены количественные связи параметров естественной и искусственной пластических зон в приконтурной области анизотропного массива с характеристиками упруго-пластических свойств и напряженно-деформированного состояния пород, что позволило определить информативные показатели для оценки и прогноза устойчивости горных выработок. Установлены закономерности изменения напряжения и деформации в приконтурной области породного массива от величины пластического показателя – предела текучести пород. С целью выявления степени информативности предела текучести горных пород изучены зависимости их предела текучести от величин модуля Юнга, коэффициентов Пуассона, разрыхления, бокового распора, влажности, приращения напряжений и предельных деформаций пород. Установлено, что с увеличением модуля упругости, коэффициента Пуассона и предельных деформаций показатель пластичности возрастает, а с увеличением коэффициента разрыхления и влажности – убывает.

Получена зависимость, связывающая прогнозные смещения контура выработки в зонах искусственного изменения упруго-пластических свойств пород с их пределом текучести, величиной приращения напряжений, временем эксплуатации выработки и углом залегания пласта. Эта зависимость положена в основу разработки метода оценки и прогноза устойчивости массива по ожидаемым смещениям контура выработки при локальном направленном изменении упруго-пластических свойств пород.

Выполненный комплекс исследований и установленные закономерности связи предела текучести пород с их свойствами и состоянием массива позволили разработать метод оценки и прогноза устойчивости массива горных пород, отражающий реальные механизмы проявлений горного давления, и предложить классификацию пород по устойчивости в зависимости от их предела текучести и приращения напряжений.

Проведены шахтные наблюдения за изменением смещений в выработках, подверженных искусственному направленному изменению свойств и состояния пород при увлажнении, обработке полимерными, гелевыми растворами, растворами смол, уплотнении анкерами, щелевой разгрузке в почве, кутках, боках выработки. По установленному классу пород с учетом современных разработок по поддержанию выработок разработаны рекомендации по выбору типа крепи.

Результаты работы прошли апробацию в условиях разработки угольных пластов Донбасса и внедрены при проведении и поддержании выработок в пластах ГХК “Артемуголь”.

Ключевые слова: породный массив, напряженно-деформированное состояние, упруго-пластические свойства, устойчивость горных выработок.

ANNOTATION

Vittushko O.V. – Increase of opening strength in the zones of artificial changes of rock mass characteristic at outcrops. – Manuscript.

The thesis for a candidate degree (technical sciences) in speciality 05.15.11 –"Physical processes of mining industry". – The Institute of Geotechnical Mechanics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2001.

The important scientific-technical task concerning the increase of opening strength in the zones of artificial changes of elasto-plastic rock mass characteristic at outcrops has been solved.

The researches of high density-strain state of mass at outcrops with changes of elasto-plastic characteristic and thickness of bed are carried out. The regularity of parameters changes of high density-strain state of mass at edge zones of artificially changed mass characteristic, their yield stress being the informative index, allowing to carry on the forecasting estimate of rock upheaval at outcrops are determined.

The classification of rocks strength within their fluidity limit and voltage increment is developed as well as the essential principles and recommendations on strength estimate and engineering solutions selection on its increase at zones of directional changes of rocks characteristic.

The results of the investigation were approved in the conditions of mining stonedrift of Donbass Region and has been applied in the industry while conducting and maintaining headways of GXK "ArtyemygoP ".

Key-words: rock mass, density-strain state, elasto-plastic characteristic, opening strength.

Видруковано на різографі ООО фірма “Сервіс“

Підписано до друку 21.02.2001

Умов. друк. арк. 1. Формат 80ґ60 1/16

Тираж 100 прим. Замовлення № 149

49005, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 21