ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ЄФРЕМОВ ІГОР ОЛЕКСІЙОВИЧ

УДК 622.273

ОБГРУНТУВАННЯ СПОСОБІВ ЗБЕРЕЖЕННЯ СТІЙКОСТІ

ДІЛЬНИЧНИХ ВИРОБОК У ЗОНАХ ВПЛИВУ ТЕХНОГЕННОЇ

ВІБРАЦІЇ КОНВЕЄРНИХ УСТАНОВОК

Спеціальність 05.15.02 — “Підземна розробка родовищ корисних копалин”

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк–2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Донецькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор ЗВЯГІЛЬСЬКИЙ Юхим Леонідович, генеральний директор ОП “шахта ім. О.Ф.Засядька” Фонду державного майна України.

Офіційні опоненти:

ГРЕБЬОНКІН С.С., д.т.н., проф., Донецький національний технічний університет, професор кафедри “Розробка родовищ корисних копалин” (м.Донецьк);

ПІТАЛЕНКО Є.І., к.т.н., зам. директора з наукової роботи відділення фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ (м.Донецьк).

Провідна установа:

Донбаський гірничо-металургійний інститут Міністерства освіти і науки України, кафедра розробки пластових родовищ (м. Алчевськ).

Захист дисертації відбудеться “17” травня 2002 г. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.05 у Донецькому національному технічному університеті за адресою: 83000, Україна, м. Донецьк, вул. Артема, 58.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ДонНТУ (83000, Україна, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 2 уч. корп.).

Автореферат розісланий “11” квітня 2002 г.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор М.Р.Шевцов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Збереження обсягів видобутку вугілля в Донбасі при ускладнені гірничо-геологічних та гірничо-технічних умов і закритті великої кількості старих шахт можливо тільки за умови суттєвої концентрації гірничих робіт на перспективних підприємствах і впровадженні більш продуктивної гірничо видобувної техніки. Практика свідчить, що застосування останньої веде до зростання вуглевидобутку, підвищенню навантаження на очисні вибої, скороченню частки ручної праці і, як наслідок, до зниження собівартості видобутого вугілля. Водночас застосування нової техніки пов’язано з появою шкідливого впливання техногенних вібрацій на вміщуючі породи.

Вплив вібрації (механічних коливань), як відомо, завжди пов’язан з порушенням стану рівноваги конструкції (системи), що розглядається. Підземні виробки глибоких шахт особливо підтримувані в нестійких вміщуючих породах, не є виключенням і вони також зазнають вплив вібрацій. Згідно з досвідом, незважаючи на наявність підсиленого кріплення та завищених перерізів в місцях пунктів перевантаження і на ділянках розташування приводів конвеєрів спостерігаються підвищені зміщення порід контуру виробок і деформації кріплення. В геомеханічному плані шкідливе впливання вібрацій на навколишні породи вивчено недостатньо. В літературі відсутні дані про довжину зон підвищених зміщень, їх величини та швидкості віброконвергенцій. Це свідчить про відсутність наукової основи для обґрунтування способів збереження стійкості виробок. Такий стан питання зумовив актуальність теми обраного дослідження.

Зв’язок теми дисертації з планом основних робіт університету.

Дослідження впливу вібраційних процесів на стійкість виробок, підтримуваних у нестійких вміщуючих породах на великих глибинах є одним з наукових напрямків кафедри гірничої геомеханіки ДонНТУ. Дисертація підготовлена в рамках виконуваної держбюджетної теми Г-25-2000 (номер держреєстрації 0100U001044).

Мета роботи. Метою є обґрунтування способів збереження стійкості пластових виробок глибоких шахт в зонах інтенсивного впливу техногенних вібрацій, ініційованих конвеєрними приводами.

Задачі дослідження. Поставлена мета визначила необхідність рішення таких задач:

1. Дослідити характер зміщення контура підготовчих виробок в зонах впливу техногенної вібрації конвеєрних приводів.

2. Розкрити механізм розповсюдження вібрації в елементах кріплення та навколишніх породах.

3. Розкрити особливості роботи аркового піддатливого кріплення за умов впливу вібрації і розробити методику розрахунку додаткових зміщень на контурі виробок.

4. Розробити та впровадити способи та технології збереження стійкості підготовчих виробок в зонах інтенсивного впливу конвеєрних приводів.

Об’єкт дослідження — явище зниження стійкості підготовчих виробок в зонах впливу техногенної вібрації.

Предмет дослідження — дільничні конвеєрні виробки глибоких шахт, що підтримуються в слабких вміщуючих породах.

Методи дослідження. Для досягнення визначеної в роботі мети використовувався комплексний метод, який містить аналіз стану і досвіду збереження стійкості дільничних виробок, шахтні інструментальні спостереження з використанням контурних реперів, натурні дослідження розповсюдження вібрації в елементах кріплення і вміщуючих виробку гірничих породах з використанням сучасної звукоуловлювальної апаратури “ЗУА-98” і спеціально сконструйованих та виготовлених низькочастотних вібраційних датчиків, аналітичні дослідження, а також дослідно-промислову перевірку запропонованих способів та технологій.

Ідея роботи полягає в розкритті особливостей механізму поведінки системи “кріплення — навколишні породи” підготовчої виробки за умов впливу техногенної вібрації.

Основні наукові положення і результати, які виносяться на захист, та їх новизна:

1. Вперше експериментально в натурних умовах встановлена загальна довжина зони шкідливого впливу вібрації на стійкість пластових виробок поблизу приводів конвеєрних установок, яка складає 8–15 м. Цим впливанням вібрація збільшує зміщення порід контуру підготовчої виробки у 1,2–1,4 рази.

2. Експериментально розкриті особливості механізму впливання техногенної вібрації на систему “кріплення — навколишні породи”, які полягають в розповсюдженні низькочастотних механічних коливань (20–25 Гц) в породах підошви і відсутності шкідливого впливу вібрацій в породах покрівлі і боків. Кріплення виробки сприймає шкідливі вібрації порід підошви на ділянці до 15 м (7–8 м в обидва боки від приводу).

3. Встановлені особливості сприйняття техногенних вібрацій арковим піддатливим кріпленням, які полягають в наявності просковзання його елементів в замках тільки в період пусків та зупинок двигуна конвеєра, тобто під час переходу частоти техногенної вібрації через частоту власних коливань арки 2,0–2,5 Гц. Поряд з цим встановлена залежність величини одиничних зміщень в замках від амплітуди коливань порід підошви, жорсткості спецпрофілю кріплення і величини її статичного привантаження.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій роботи забезпечена аналізом досвіду експлуатації дільничних виробок на провідних вугледобувних підприємствах України, коректністю постановки та достатнім обсягом шахтних інструментальних досліджень. Використанням сучасної мікропроцесорної звукоуловлювальної апаратури, коректністю постановки і вирішення аналітичної задачі з опису роботи рамного піддатливого кріплення за умов впливу вібрації, позитивними результатами виконання дослідно-промислової перевірки запропонованих способів та їх впровадження.

Наукове значення роботи полягає в розкритті особливостей механізму виникнення і розповсюдження техногенних вібрацій в геомеханічній системі “кріплення — навколишні породи” та оцінці їх впливу на стійкість підтримуваних дільничних виробок.

Практичне значення роботи полягає в обґрунтуванні та розробці нових способів збереження стійкості дільничних виробок в зонах впливу техногенної вібрації, заснованих на установленні в підошві виробок вібропоглинальних елементів і конструкцій, підвищенні жорсткості аркового піддатливого кріплення та зменшенні величини її статичного привантаження.

Реалізація висновків та рекомендацій роботи.

Розроблений спосіб збереження стійкості конвеєрних виробок на ділянках активного впливу техногенної вібрації шляхом установлення в породах підошви вібропоглинальних елементів та конструкцій використано під час проведення 15 західного конвеєрного штреку пласта m3 шахти ім. О.Ф.Засядька. Це дозволило істотно скоротити обсяги ремонтних робіт у виробці. Річний економічний ефект склав 15 тис.грн.

Апробація роботи. Основні наукові і прикладні результати роботи були повідомлені та обговорені на засіданнях технічної ради шахт ім. О.Ф.Засядька., ім. В.М.Бажанова і ДХК “Макіїввугілля”. Вони були схвалені на міжнародних науково-практичних конференціях “Тиждень гірника” (Росія, м.Москва, МДГУ, лютий 2001 р.) та “Машинобудування і техносфера на межі ХХІ століття” (Україна, м.Севастополь, вересень 2001 р.).

Публікації. Основні наукові та практичні результати роботи опубліковано в 7 наукових публікаціях, з них 5 у журналах, 2 у збірниках наукових праць.

Структура та обсяг роботи.

Дисертація складається з вступу, 5 розділів та висновків, містить 43 рисунка, 6 таблиць, перелік використаних літературних джерел з 47 найменувань, 1 додаток. Загальний обсяг роботи складає 155 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі дисертації показано, що проблема збереження стійкості підготовчих виробок є однією з основних і досить складних у вугільній галузі Донбасу. Її рішенню присвячена низка фундаментальних та прикладних досліджень інститутів гірничого профілю: ЗНДМІ, ІГС ім. А.А.Скочинського, УкрНДМІ, МДГУ (МГІ), ДГНА (ДГІ), ДонНТУ (ДПІ), ІГТМ НАН України, ДонФТІ НАН України і т.д. В наявних публікаціях досить повно розкрито суттєвість геомеханічних процесів, відбито вплив основних гірничо-геологічних та гірничо-технічних факторів на стан виробок, розроблено ефективні способи і технології збереження її стійкості і т.д. Проте в гірничотехнічній літературі практично не приділено уваги впливу техногенних вібрацій на стійкість підтримуваних гірничих виробок, особливо в складних умовах глибоких шахт.

Явище вібрації супроводжує роботу будь якого механізму, заснованого на обертанні. Причиною вібрації є наявність технологічних дефектів виготовлення механічних систем, незрівноваженість їх частин, що обертаються, ексцентриситет з’єднувальних муфт, нерівномірний знос, неправильне установлення тощо. Звичайними наслідками дії вібрації є переміщення окремих частин механічної системи одна відносно одної, зниження значення коефіцієнту ковзання між ними, а, інколи, і руйнування. В усякому разі вібрація сприяє порушенню рівноваги системи.

Загально відомо, що стійкість будь-якої виробки залежить, насамперед, від стану та працездатності так званої малої геомеханічної системи “кріплення — навколишні породи”. Ця система формується внаслідок перерозподілу напруження в гірничому масиві. Рівновага в ній досягається, не в останню чергу, за рахунок сил тертя між окремими породними блоками та опору аркового піддатливого кріплення, який також залежить від сил тертя в замках. Вплив вібрації на цю механічну систему надає зниження коефіцієнтів тертя між окремими елементами, тобто створюються сприятливі умови для порушення рівноваги.

Це добре погоджується з результатами візуальних обстежень стану конвеєрних виробок. Вони свідчать, що поблизу потужних джерел вібрації, таких як приводи конвеєрних установок, підземні підстанції, вентилятори місцевого провітрювання, зміщення на контурі відбуваються швидше аніж на суміжних ділянках. В практиці роботи глибоких шахт відомі випадки, коли перенесення пункту перевантаження на нове місце за лічені дні призводив до деформації кріплення, яке знаходилось до цього в стані рівноваги протягом тривалого часу. Проте цей геомеханічний феномен досі детально не вивчено. Невідомі величини податкових зміщень контура виробок, характер змінення швидкостей конвергенції, довжина зони підвищених зміщень тощо. Неясними залишаються закономірності розповсюдження техногенних вібрацій в породах, що вміщують виробки, елементах кріплення, не описано характер його роботи за умов вібрації. Все це стримує розробки ефективних способів збереження стійкості конвеєрних виробок, підтримуваних в складних гірничо-геологічних умовах при впливі техногенних вібрацій.

У зв’язку з цим були сформульовані мета, ідея та задачі дослідження.

У другому розділі роботи наведені результати натурних досліджень характеру зміщень контуру підготовчих виробок в зонах розташування конвеєрних приводів, які виконувалися в 7 дільничних штреках, що підтримуються в умовах 4-х шахтопластів 2-х глибоких шахт Донбасу (див. табл.1).

Для визначення довжини зони підвищених зміщень та їх величини методика інструментальних спостережень передбачала виконання масових вимірювань висоти конвеєрних виробок по всій довжині з періодичністю один раз на два місяці. По результатам спостережень були побудовані графіки вертикальної конвергенції (висоти) вздовж виробок. Типовий графік наведено на рис.1.

Аналіз виконаних вимірювань переконливо довів, що техногенна вібрація, ініційована конвеєрними приводами, має суттєвий негативний вплив на стійкість виробок. Довжина зони підвищених зміщень змінюється від 8 до 15 м. Максимальна їх величина безпосередньо над приводом конвеєра в 1,2–1,4 рази перебільшує конвергенцію у виробці, виміряну поза межами зони впливу вібрації. (табл.1).

Для визначення динаміки змінення швидкостей зміщень контуру виробок було проведено натурний експеримент в 11-му східному конвеєрному штреку пласта l1. Для цього в районі майбутнього навантажувального пункту з скребкового конвеєра на стрічковий закладалася спостережна станція, яка складалася з 5–10 контурних вимірювальних перерізів. Вимірювання виконувалися щодня в період до і після спорудження навантажувального пункту. При цьому експеримент неодноразово повторювався. Типові графіки змінення швидкостей вертикальних зміщень наведено на рис. 2.

Аналіз графіків свідчить, що встановлення у виробці додаткового навантажувального пункта спричиняє суттєве (в 2,0–3,5 рази) підвищення швидкості вертикальних зміщень. Його вплив розповсюджується на ділянці 5–6 м в обидва боки від джерела вібрацій. При цьому відзначено нерівномірний та стрибкоподібний характер змінення зміщень.

Для пояснення отриманих результатів було виконано порівняння величини енергії вібрації, ініційованої електродвигуном конвеєра, та енергії, необхідної для

Таблиця 1.

Умови виконання інструментальних спостережень і параметри зон підвищених зміщень навколо джерел вібрації

№ п/п | Виробка, пласт | Вміщуючі породи | Глибина розроб–ки, м | Система розробки, спосіб охорони | Тип джерела вібрації | Довжина зони підвищених зміщень, м | Максимальна величина додаткових зміщень (віброконверген–ція), %

покрів–ля | підош–ва | привод | навант.пункт

Шахта ім. О.Ф.Засядька

1 | 14 західний конв. штрек, m3 | ГС | ПГС | 1057 | стовпова, неторканий масив | 1Л100 | 1Л100+

СП202 | 10 | 30,2

2 | 15 східний конв. штрек, m3 | ГС | ПГС | 1199 | стовпова, неторканий масив | 2ЛТ100 | 8 | 17,8

2ЛТ100+

СР70 | 10 | 27,6

3 | Конв. ходок розвантажуваль–ної лави, m3 | ГС | ПГС | 1204 | стовпова, неторканий масив | 2ЛТ100 |

2ЛТ100+СР72

СР72+СР72 | 7

8

11 | 23,6

31,6

37,8

4 | 6-й східний конв. штрек, k8 | И | ГС | 1078 | стовпова, неторканий масив | 1Л80 | СП202+

1Л80 | 8 | 31,9

5 | 11-й східний конв. штрек, l1 | ГС | ГС | 1094 | стовпова, неторканий масив | 1Л100+

СП202 | 15 | 26,3

Шахта ім. В.М.Бажанова

6 | 5-й східний конв. штрек, m3 | ГС | ПС | 1150 | суцільна, бут. смуга | СП202+

1Л100 | 11 | 38,7

7 | 6-й східний конв. штрек, m3 | ГС | ПГС | 1180 | суцільна, бут. смуга | СП202+

1Л100 | 9 | 27,3

руйнування породи. На цих засадах було визначено, що хвильове поле, яке розглядається, не може спричиняти додаткове руйнування навколишніх порід і його вплив на гірничий масив можна класифікувати, як “слабкий”.

У третьому розділі дисертації наведено результати досліджень механізму розповсюдження вібрації в малій геомеханічній системі “кріплення виробки — навколишні породи”.

На першому етапі було виконано аналіз частот вібрації, ініційованих стрічковими та скребковими конвеєрами, які випускаються серійно. Було встановлено, що коливання, зумовлені роботою двигунів і з’єднувальних муфт стрічкових конвеєрів, мають частоту в діапазоні 16,4–24,7 Гц. Частоти, зумовлені обертанням барабанів, вимірюють в межах 0,625–1,99 Гц.

Для скребкових конвеєрів основні частоти пов’язані з ударним навантаженням під час зачеплення ланок ланцюга з зірками. Їх величина змінюється від 9,3 до 21,8 Гц. Максимальні значення частоти коливань від обертання електродвигуна і роботи турбомуфти складають 24,6 Гц.

Другий етап досліджень полягав в розробці автоматизованого комплексу для досліджень розповсюдження вібрації в породах та елементах кріплення виробок. Для цього як базовий пристрій використовувався найсучасніший варіант звукоуловлювальної апаратури “ЗУА-98”. Вона додатково комплектувалася спеціально сконструйованим датчиком коливань з нижньою межею реєстрації 3 Гц, приймальним пристроєм з аналізатором спектрів та самописцем безперервного запису сигналів. Апаратура вмикалася в загальну мережу сейсмоакустичного прогнозу шахти. Її характеристики наведено в табл.2.

Таблиця 2.

Технічні характеристики комплексу

№ | Параметр | Одиниці вимірювання | Значення

1 | Діапазон робочих частот | Гц | 3–500

2 | Динамічний діапазон в режимі вимірювання прискорення | дБ | 80

3 | Динамічний діапазон в режимі вимірювання швидкостей | дБ | 40

4 | Динамічний діапазон автоматичного реєстратора | дБ | 40

5 | Коефіцієнт нелінійних спотворень | % | менше 1

6 | Гранична довжина лінії зв’язку | км | 12

На третьому етапі механізм розповсюдження вібрації в геомеханічній системі “кріплення — навколишні породи” досліджувався в 14-му східному конвеєрному штреку пласта m3 шахти ім. О.Ф.Засядька. Суть експерименту полягала у вимірюванні та реєстрації механічних коливань, ініційованих станиною привода конвеєра 1Л100, в породах підошви, боків, покрівлі виробки, а також в елементах аркового піддатливого кріплення вздовж штреку. Для цього датчик коливань закріплювався у коротких шпурах, навмисно пробурених на відстані 0, 2, 4, 6 і 8 м від приводу. Вібрація фіксувалася на поверхні комп’ютером, обладнаним аналізатором спектру “RFT”, у вигляді осцилограм, які потім зазнавали спектрального аналізу. Запис кожної осцилограми виконувався протягом 10 с під час роботи конвеєра. Експеримент багаторазово повторювався. Під час подальшого аналізу за основу приймалися коливання самого джерела — потужної станини привода, що лежав на підошві виробки.

На рис. 3 наведено характерні спектри частот вібрації порід підошви на різній віддалі від привода. Їх аналіз свідчить, що основна частота 25 Гц, яка зареєстрована на станині, досить добре передається у підошву. Довжина ділянки складає 8–10 м, що співпадає з розмірами зони підвищених зміщень у виробці. В породах боків і покрівлі штреку вібрація практично не розповсюджувалась, або розповсюджувалась з великим згасанням. Це пояснюється відсутністю безпосереднього контакту з джерелом коливань та високою тріщинуватістю порід навколо виробки.

Для реєстрації механічних коливань в елементах аркового піддатливого кріплення датчик жорстко закріплювався до його ніжок з обох боків виробки, до центру верхняка і в замках піддатливості на різному віддаленні від приводу. Аналіз отриманих під час експерименту спектрів показав, що вібрація конвеєрних приводів через породи підошви з невеликим згасанням передається на ніжки аркового кріплення. Вузли піддатливості є своєрідними компенсаторами коливань. У зв’язку з цим енергія вібрації верхняків в 2–3 рази нижче, аніж ніжок. Довжина зони розповсюдження вібрації у кріпленні виробки склала біля 15 м, що приблизно співпадає з довжиною зони її розповсюдження в породах підошви.

Отримані результати дають змогу в першому наближенні розкрити механізм розповсюдження техногенної вібрації, яка ініціюється приводами конвеєрних установок в малій геомеханічній системі “кріплення — навколишні породи” підготовчої виробки. Суть цього процесу полягає в наступному. Приводна станція, так само, як і будь-який інший механізм за рахунок наявності технологічних факторів, незрівноваженості частин, що обертаються, ексцентриситету з’єднувальних муфт, нерівномірного зносу і неправильного встановлення є джерелом вібрації. Пружними в’язами вона легко передається на потужну станину привода, яка закріплена безпосередньо на підошві виробки. Породи підошви (принаймні їх верхня частина, прилегла до перерізу) також починають коливний рух, при цьому його енергія максимальна безпосередньо біля станини та згасає за експоненціальним законом з віддаленням від неї. Породи підошви виробки, в свою чергу, є джерелом коливань для аркового піддатливого кріплення. При цьому найбільше вібрація розповсюджується в його ніжках (коефіцієнт згасання 0,7) і в меншій мірі — у верхняках кріплення (коефіцієнт згасання 0,5). Вузли піддатливості є своєрідними демпферними елементами піддатливої конструкції. Довжина зони розповсюдження коливань у кріпленні дорівнює довжині аналогічної зони в породах підошви. В породах боків та покрівлі виробки вібрація не розповсюджувалася, що пояснюється відсутністю безпосереднього контакту з джерелом коливань та підвищеною тріщинуватістю поблизу контуру виробки.

У четвертому розділі дисертації розкрити особливості роботи аркового піддатливого кріплення виробок в умовах впливу техногенної вібрації. Описаний раніше механізм свідчить, що важливу роль у збереженні рівноваги малої геомеханічної системи грає кріплення виробки. Для розкриття особливостей його роботи за умов впливу вібрації було проведено цикл аналітичних досліджень. При цьому арка зображувалась класичним осцилятором з позиційним тертям, який функціонує за умов зовнішнього збуджування (рис.4).

Було встановлено, що частоту власних коливань такої системи можна визначити за формулою:

, рад/с,

де — функція залежності жорсткості арки від її форми; — параметр форми арки; l — довжина прямолінійної частини арки, м; R — радіус кривини верхняка арки, м; Е — модуль пружності сталі арки, Н/м2; J — момент інерції спецпрофілю, м4; m — еквівалентна маса, зосереджена у вершині арки, кг.

Розрахунки, виконані за цією формулою, показали, що величина 0 для кріплення, яке зараз використовується, змінюється від 2,4 до 3,0 Гц, що приблизно в 10 разів нижче частоти вібраційних коливань підошви. Отже, за умов нормальної роботи конвеєра арка функціонує у поза резонансному режимі. Дослідження показали, що в цей час релаксаційних зсувів в її замках бути не може. Проте під час пуску (зупинки) конвеєра частота вібрації зростає (зменшується) від 0 до 25 Гц, і арка змушена переходити через резонансний стан. В ці моменти і відбувається її деформування. Вид нелінійної функції сковзання в замках піддатливості кріплення від часу у цей період наведено на рис. 5.

Аналіз наведеного графіку свідчить, що в період пуску конвеєра відбувається зривне сковзання у фрикційних вузлах (точка А). В цей момент зусилля стискання рами у вертикальному напрямку внаслідок дії коливань підошви стає рівним силі зчеплення в замках FT. Зважаючи, що величина коефіцієнта тертя сковзання приблизно в 2 рази менша, аніж величина коефіцієнта тертя спокою, крива сковзання різко переходить в точку В. Однак, це супроводжується зменшенням швидкості сковзання до 0 і відбувається “схоплення” вузла в точці С із зростанням навантаження і переходом в точку D. Таким чином і відбувається процес накопичення додаткових зміщень (віброконвергенції) на контурі виробки.

На основі математичного моделювання описаного процесу і розрахунків, виконаних на ЕОМ, було побудовано графіки залежності величини одиничного зсуву, тобто зміщення за один пуск (зупинку) конвеєра, від амплітуди зовнішнього збудження, які дозволяють визначати додаткову конвергенцію в зоні впливу вібрації. Ці графіки наведено на рис. 6.

У п’ятому розділі дисертації описані способи збереження стійкості дільничних виробок у зонах впливу техногенної вібрації конвеєрних установок.

Результати виконаних натурних та аналітичних досліджень свідчать, що стійкість виробок, підтримуваних в умовах впливу техногенної вібрації, можливо зберегти шляхом зменшення амплітуди вимушених коливань порід підошви, збільшення жорсткості кріплення та зниження величини статичного привантаження на нього з боку порід покрівлі.

Зменшити амплітуду вимушених коливань, які розповсюджуються від станини в геомеханічну систему “кріплення — навколишні породи”, можливо шляхом встановлення привода конвеєра на вібропоглинальні конструкції. Цей принцип покладено в основу нового способу збереження стійкості виробок.

Спосіб виконують таким чином (див. рис. 7). До монтажу конвеєра визначаються місця розташування у виробці його приводних станцій та навантажувальних пунктів. В цих зонах у породах підошви виробки відбійними молотками виймається котлован 1. Його розміри в плані мають бути більшими, аніж розміри станини привода конвеєра 2. Котлован заповнюється пошарово вібропоглинальним 3 та жорстким 4 матеріалом. В якості першого може служити пісок, в якості другого — залізобетонні блоки або затяжка. Для кріплення станини до підошви використовуються забетоновані в шпурах 5 ланцюги 6, які з’єднані гвинтовими стяжками 7.

Коливання, ініційовані приводом конвеєра, в цьому випадку згасатимуть внаслідок наявності під станиною вібропоглинальних шарів. При цьому вібрація не передаватиметься за межі котловану у породи підошви виробки, отже і в елементи аркового кріплення.

Жорсткість кріплення як конструкції можливо досить просто підвищити шляхом нескладної модернізації її верхняка. Перший варіант полягає у встановленні на ньому додаткового горизонтального ребра жорсткості із спецпрофіля (рис. 8, а) Другий варіант полягає у приваренні вузької металевої пластини до верхняка по всій його довжині з боку закріпленого простору (рис. 8, б). Це перетворює його у замкнений жорсткий жолоб.

Зменшення величини статичного привантаження на кріплення з боку порід покрівлі можливо досягти шляхом підсилення його анкерами, які установлюються за традиційними схемами.

Дослідно-промислова перевірка способу збереження стійкості виробок шляхом встановлення конвеєрних приводів на вібропоглинальні конструкції виконувалась в 15 західному конвеєрному штреку пласта m3 шахти ім. О.Ф.Засядька на двох ділянках довжиною по 15 м. Цим було забезпечено їх безремонтне підтримання в зонах інтенсивного впливу техногенної вібрації. Річний економічний ефект від впровадження склав 15 тис.грн. Способи, засновані на збільшенні жорсткості кріплення та зниженні величини статичного привантаження, впроваджені у паспорта проведення дільничних конвеєрних виробок на шахтах ім. В.М.Бажанова та О.Ф.Засядька.

ВИСНОВОК

В дисертації дано рішення актуальної науково-технічної задачі, яка полягає у виявленні особливостей механізму і визначенні залежності шкідливого впливання вібрацій конвеєрних приводів на стійкість підготовчих виробок, які прилягають до очисних вибоїв.

Основні наукові і практичні результати роботи полягають в наступному:

1. Вперше експериментально в натурних умовах установлена загальна довжина зони шкідливого впливу вібрації 8–15 м на стійкість пластових виробок поблизу приводів конвеєрних установок. Цією дією вібрація збільшує зміщення порід контуру підготовчої виробки в 1,2–1,4 рази.

2. Експериментально розкриті особливості механізму впливу техногенної вібрації на систему “кріплення — навколишні породи”, які полягають в розповсюдженні низькочастотних механічних коливань (20–25 Гц) в породах підошви і відсутності шкідливого впливу вібрацій в породах покрівлі та боків. При цьому кріплення виробки сприймає вібрації порід підошви на ділянці до 15 м (7–8 м в обидва боки від привода).

3. Установлені особливості сприйняття техногенних вібрацій арковим піддатливим кріпленням, які полягають в наявності просковзання його елементів в замках тільки під час пусків та зупинок двигуна конвеєра, тобто під час переходу частоти техногенної вібрації через частоту власних коливань 2,0–2,5 Гц. При цьому установлена залежність величини одиничних зміщень в замках від амплітуди коливань порід підошви, жорсткості спецпрофіля кріплення та величини її статичного привантаження.

4. Визначено основні напрямки підвищення стійкості пластових конвеєрних виробок в зонах інтенсивного впливу техногенної вібрації, які полягають у зменшенні амплітуди вимушених коливань порід підошви, збільшенні жорсткості аркового піддатливого кріплення як конструкції і зниження величини статичного привантаження.

5. Розроблено і впроваджено новий спосіб збереження стійкості виробок, підтримуваних в умовах впливу техногенної вібрації, що містить установлення приводних конвеєрних станцій на спеціальні вібропоглинальні конструкції в породах підошви.

6. Розроблені способи збереження стійкості виробок, засновані на підвищенні жорсткості іх кріплення, як конструкції та зниженні величини статичного привантаження.

ПУБЛІКАЦІЇ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

1. Пилюгин В.И., Мартовицкий А.В., Ефремов И.А., Зинченко С.А. Оценка влияния вибрации приводных станций конвейерных установок на устойчивость подготовительных выработок // Изв. Донецкого горного института, 1998. — № (8). — С. 35–36.

2. Деглин Б.М., Мелконян А.А., Ефремов И.А., Пилюгин В.И., Ададуров В.В. Автоматизированный комплекс для исследования распространения вибрации, инициируемой горно-шахтным оборудованием // Изв. Донецкого горного института, 1999. — № 2. — С. 121–124.

3. Пилюгин В.И., Деглин Б.М., Ефремов И.А., Нелипа И.Е., Зинченко С.А. Исследование распространения вибрации приводов конвейерных установок в почве выработки // Изв. Донецкого горного института, 1999. — № 3. — С. 106–108.

4. Пилюгин В.И., Ададуров В.В., Зинченко С.А., Ефремов И.А. Влияние типа конвейера на величину и характер смещений контура транспортных выработок // Изв. Донецкого горного института, 2000. — № 1. — С. 108–110.

5. Pilugin V., Moroz O., Yefremof I., Zintchenko S. Research of drives vibration of conveyor systems in roadway floor // Sbornнk vedeckэch pracн Vysokй љkoly bбтskй —Technickй university Ostrava, 2000. — N 3. — P. 41–44.

6. Пилюгин В.И., Зинченко С.А., Деглин Б.М., Ефремов И.А., Глебов В.П. Влияние вибрации приводов конвейерных установок на устойчивость подготовительных выработок // Геотехнологии на рубеже XXI века. — Донецк, ДУНПГО, 2001. — Т.2. — С. 41–49.

7. Пилюгин В.И., Ефремов И.А., Деглин Б.М., Кочин А.Е. Особенности механизма распространения техногенных вибраций в геомеханической системе “крепь — окружающие породы” подготовительной выработки // Изв. Донецкого горного института, 2001. — № . — С. 119–121.

Особистий внесок дисертанта в публікаціях:

[1, 4, 5] — з’ясовані, розкриті та проаналізовані особливості зміщень контура виробок;

[2] — розроблено та обґрунтовано технічне завдання для створення комплексу;

[3, 6] — розкрито особливості розповсюдження техногенної вібрації в породах підошви;

[7] — обґрунтовано та сформульовано механізм впливу техногенних вібрацій на геомеханічну систему “кріплення — навколишні породи” підготовчої виробки.

Анотація

Єфремов Ігор Олексійович. Обґрунтування способів дотримання стійкості дільничних виробок у зонах впливу техногенної вібрації конвеєрних установок. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.02. — “Підземна розробка родовищ корисних копалин” — Донецький національний технічний університет”, Донецьк, 2002.

Дисертація присвячена питанням дотримання стійкості конвеєрних виробок глибоких шахт у зонах впливу техногенної вібрації. Вперше експериментально в натурних умовах установлені особливості впливу вібрації на стійкість пластових виробок глибоких шахт. Розкрито механізм розповсюдження техногенної вібрації у геомеханічній системі “кріплення — навколишні породи” дільничної виробки. Встановлено, що конвергенція є наслідком релаксаційних зрушень замків кріплення, які відбуваються під час пусків та зупинок двигунів. Наведена залежність величини одиничних зміщень в замках від амплітуди коливань порід підошви, жорсткості спецпрофілю кріплення і величини її статичного привантаження.

Розроблені та упроваджені нові способи підвищення стійкості конвеєрних виробок глибоких шахт.

Ключові слова: конвеєр, дільнична виробка, вібрація, кріплення, навколишні породи, вугільний пласт, глибока шахта.

Аннотация

Ефремов Игорь Алексеевич. Обоснование способов сохранения устойчивости участковых выработок в зонах влияния техногенной вибрации конвейерных установок. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.15.02 — “Подземная разработка месторождений полезных ископаемых” — Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2002.

Диссертация посвящена вопросам сохранения устойчивости конвейерных выработок глубоких шахт в зонах влияния техногенной вибрации. Как показали визуальные обследования таких выработок, наличие этого фактора приводит к реализации дополнительных смещений на их контуре. Однако, до настоящего времени этот геомеханический феномен теоретически не изучен: не выделены особенности смещений контура выработок, не раскрыт механизм распространения вибрации в системе “крепь — окружающие породы”, не описана работа арочной податливой крепи в условиях влияния вибрации, а, следовательно, не разработаны способы сохранения устойчивости выработок.

На основе шахтных инструментальных наблюдений, выполненных в семи участковых выработках глубоких шахт, впервые установлено, что техногенная вибрация, инициируемая приводами конвейерных установок, приводит к снижению устойчивости пластовых выработок. Скорость вертикальной конвергенции при этом может возрастать в 2,0–3,5 раза, величина дополнительных смещений контура достигает 20–40% от смещений на смежных участках. Общая длина зоны вредных проявлений вибрации изменяется от 8 до 15 м. При этом показано, что энергии механических колебаний привода конвейера недостаточно для дополнительного разрушения вмещающих выработку пород.

Для исследования в натурных условиях механизма распространения техногенной вибрации в геомеханической системе “крепь — окружающие породы” применялся специально разработанный автоматизированный комплекс на базе серийно выпускаемой звукоулавливающей аппаратуры “ЗУА-98”, способный регистрировать механические колебания частотой от 3 Гц. Был установлен неравномерный характер распространения вибрации в окружающих выработку породах: механические колебания частотой 20–25 Гц распространяются в основном в породах почвы и практически отсутствуют в боках и кровле выработки. Крепь воспринимает вредные вибрации на участке общей длиной до 15 м.

В аналитических исследованиях арочная податливая крепь представлялась в виде классического осциллятора с позиционным трением, функционирующим в условиях внешнего гармонического возбуждения. Была установлена зависимость частоты собственных колебаний такой системы от жесткости арки как конструкции и величины ее статического пригруза. Расчеты по этой зависимости показали, что серийно применяемые в настоящее время крепи имеют частоту собственных колебаний 2,0–2,5 Гц, что примерно на порядок ниже рабочих частот, инициируемых приводными конвейерными станциями. Таким образом, арка работает в зарезонансном режиме. Исследования показали, что взаимное проскальзывание ее элементов в замках податливости возможно только в периоды пусков и остановок двигателя конвейера при переходе частоты техногенной вибрации через частоту собственных колебаний арки. Приведены номограммы для определения величины единичного смещения в замках крепи от амплитуды колебаний пород подошвы, жесткости спецпрофиля крепи и величины ее статического пригруза.

Выполненные исследования позволили сформулировать следующие основные направления повышения устойчивости выработок в зонах влияния техногенной вибрации: уменьшение амплитуды вынужденных колебаний пород почвы, повышение жесткости крепи как конструкции и снижение величины ее статического пригруза.

В работе разработан и внедрен новый способ сохранения устойчивости выработок, включающий установку приводов конвейерных станций на специальные вибропоглощающие конструкции в породах почвы. Сущность способа состоит в том, что в породах почвы выработки вынимается котлован, который заполняется вибропоглощающим материалом. Над котлованом размещается приводная станция конвейера, станина которой прижимается к почве гибкими связями. Техногенные вибрации, инициируемые при работе конвейера, затухают в вибропоглощающем материале и не передаются в окружающий выработку массив. Это приводит к снижению виброконвергенции. Внедрение способа осуществлялось в 15-м западном конвейерном штреке пласта m3 шахты им. А.Ф.Засядько. Получен годовой экономический эффект 15 тысяч грн.

Разработаны также способы повышения устойчивости выработок, основанные на повышении жесткости верхняка крепи и уменьшении нагрузки на арку. Они внедрены в паспорта проведения и крепления подготовительных выработок в условиях шахт им. А.Ф.Засядько и им. В.М.Бажанова.

Ключевые слова: конвейер, участковая выработка, вибрация, крепь, окружающие породы, угольный пласт, глубокая шахта.

Annotation

Efremov Igor Alekseevich. The substantiation of the section working safety methods in the zone of the conveyer plants’ techno-caused vibration influence. Manuscript.

This is a thesis of a doctoral candidate in Technical sciences by speciality 05.15.02 “Mineral’s deposits underground exploitation” — Donetsk State Technical University, Donetsk, 2002.

The thesis is devoted to the question of stability reinforcement of deep mines’ conveyer workings. For the first time the distinctions of vibration's influence on the deep mines' seam workings were determined in real-life environment. The mechanism of the techno-caused vibration distribution in geomechanical system “lining — environmental rocks” of development workings is determined. It was determined that main lining’ shifts took place in the moment of start or stop of conveyers’ drive. The single shifts’ size in lining joints dependence on soils’ of ground amplitude oscillations, special profile’s stiffness and static load on arch was set.

The new ways of deep mines’ workings stability were developed and adopted.

Keywords: the conveyor, underground working, vibration, lining, environmental rocks, coal seam, deep mine.