МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА ГІРНИЧА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

Овчинніков Віталій Пилипович

УДК 622.831.24

Фізико-технічнІ основи технології

управління важкообвальною покрівлею

при веденні гірничих робІт

Спеціальність 05.15.02 - ”Підземна розробка родовищ корисних копалин”

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Дніпропетровськ

2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі технології гірничого виробництва гірничого факультету Української інженерно-педагогічної академії (м. Стаханов), Міністерство освіти і науки України

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Ширін Леонід Никифорович, завідувач кафедри рудникового транспорту Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ);

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Колоколов Олег Васильович, професор кафедри підземної розробки родовищ Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ),

доктор технічних наук, професор Сапицький Костянтин Федорович, професор кафедри підземної розробки родовищ Донецького державного технічного університету Міністерства освіти і науки України,

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Петренко Володимир Дмитрович, завідувач кафедри тунелів, основ та фундаментів Дніпропетровського державного технічного університету залізничного транспорту Міністерства залізничного транспорту України.

Провідна установа: Інститут геотехнічної механіки Національної академії наук України (м. Дніпропетровськ), відділ управління динамічними проявами гірського тиску.

Захист відбудеться “ 31 ” травня 2002 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03 по захисту дисертацій при Національній гірничій академії України Міністерства освіти і науки України за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. Карла Маркса, 19, тел. 47-24-11.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, пр. Карла Маркса, 19).

Автореферат розісланий "_27_" _квітня_ 2002 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03,

доктор технічних наук, професор С.Ф. Власов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. З переходом гірничих робіт шахт Центрального і Східного Донбасу на більш глибокі горизонти підривна дія на покрівлю тонких пологих викидонебезпечних пластів у 2...2,5 раза збільшила витрати (до 15 млн грн на рік) на перекріплення підготовчих виробок, закріплених арковим кріпленням типу АКП.

За існуючої технології відпрацювання викидонебезпечних пластів з важкообвалювальними покрівлями (ВОП), до яких належать пісковики та вапняки з коефіцієнтом міцності > 7, проведення дільничних пластових виробок до (45%) виконуються одночасно з очисними роботами. Для штучного скорочення кроку первинного та наступних обвалень ВОП застосовують спосіб підривного їх знеміцнювання (попереднє торпедування) за допомогою торпед-свердловин, які бурять попереду лави з підготовчих виробок.

Такий спосіб знеміцнення ВОП найбільш розповсюджений в комплексно механізованих лавах, обладнаних гідрофікованим кріпленням типу 1КМТ та 2КМТ з високою несучою здатністю (1000 кН/м2). Але при раптових обваленнях ВОП потужністю М0 > 10 м в цих лавах постійно спостерігаються випадки виведення з ладу секцій механізованих кріплень. Більше того, при виконанні буропідривних робіт (БПР) неодноразово мали місце вибухи метану та вугільного пилу (шахта "Молодогвардійська" та ін.), викликані проникненням полум'я вибуху з торпед-свердловини у загазований метаном вироблений простір по тріщинах, утворених у покрівлі пласта під час проведення БПР. Крім того, попереднє торпедування ВОП у випадку відхилення торпед-свердловини вбік вугільного вибою (шахта “Воргашорська”, ш/у "Донбас" та ін.) провокує раптовий викид вугілля та газу. На подібні явища при торпедуванні ВОП на викидонебезпечних пластах неодноразово посилалися в своїх дослідженнях В.І.Ніколін, І.І.Балінченко, А.А. Симонов. Практика торпедування ВОП підтверджує, що раптові обвалення покрівлі виводять з ладу механізовані комплекси, виштовхують великі обсяги метану з виробленого простору лави та провокують вибухи у підготовчих виробках (шахти ім. Поченкова, "Золоте" та ін.).

Не менш серйозна проблема виникає при буропідривному проведенні виробок на викидонебезпечних пластах з ВОП. У пластових виробках, закріплених арковим кріпленням АКП, вона пов'язана з виявом викидів, що супроводжуються відторгненням з покрівлі частини напруженого породного масиву під час підривання шару порід покрівлі потужністю до (0,3... 0,7) висоти виробки h . Тільки на шахті ім. Скочинського ДХК “Донецьквугілля” зафіксовано понад 3000 макровикидів протягом існування шахти.

З аналізу причин вимушених перекріплень штреків на шахтах Донбасу існує недостатність досліджень параметрів, що визначають граничний стан порід покрівлі при буропідривному проведенні виробок по пластах з ВОП. Для охорони виїмкових виробок на викидонебезпечних пластах шахт Східного Донбасу відсутні засоби механізації породозакладних робіт (ПЗР) викладання бутових смуг. Їх спорудження пов'язане з великими витратами на небезпечні та трудомісткі ручні роботи, а параметри не відповідають умовам експлуатації виїмкових виробок.

Аварії, викликані на шахтах Донбасу вибухами метану при торпедуванні, та постійне виведення з ладу раптовими обваленнями ВОП механізованих комплексів підтверджують небезпеку і недосконалість технології підривного знеміцнення порід покрівлі і охорони виїмкових виробок.

У вітчизняній практиці розробки викидонебезпечних пластів часткова та повна закладка виробленого простору регламентовані Правилами безпеки вугільних шахт, але відсутність надійних засобів механізації породозакладних робіт обмежує їх широке впровадження. Таке становище не дає змоги перейти вугільним підприємствам на замкнені породотранспортні системи (ПТС), за допомогою яких оперативно вирішується проблема залишення породи в шахті, її доставки в місця закладки, які відіграють енергозберігаюче та екологічне значення. Недостатньо обгрунтована наукова база розробки технології управління ВОП з використанням хімічного, гідромеханічного та гідрофізичного методів їх знеміцнювання свідчить про невикористані резерви на методичному та технічному рівнях. Відсутні також роботи, об'єднані спільною концепцією прогнозування динамічніх процесів, що виникають під час розробки тонких положистих пластів з важкообвалювальними покрівлями.

На підставі вищезазначеного можна констатувати, що обгрунтування та впровадження ефективної технології і технічних засобів управління ВОП при розробці тонких пластів із залишенням породи в шахті відповідають державній науково-технічній програмі “Розробка науково-технічної концепції розвитку технології, обладнання та виробництва гірничо-металургійного комплексу України” і підтверджують важливість зазначеної наукової проблеми та актуальність її вирішення для вугільної промисловості України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація базується на результатах науково-дослідних робіт, виконаних під керівництвом автора згідно з тематичними планами Комунарського гірничо-металургійного інституту (КГМІ) на замовлення колишнього Мінвуглепрому УРСР у межах галузевої програми "Удосконалення і розробка нових технологічних процесів, гірничих машин, способів і засобів охорони виробок на глибоких шахтах". Реєстраційні номери науково-дослідних тем: 01820074223, 01860106604, 01890025660. Після підпорядкування гірничого факультету КГМІ до складу Української інженерно-педагогічної академії (УІПА) гірничий факультет УІПА під керівництвом автора виконував науково-дослідні роботи відповідно до галузевої тематики "Розробка науково-технічної концепції розвитку технології, обладнання та виробництва гірничо-металургійного комплексу України" та наказу Мінвуглепрому України за №38 від 21.03.95 р. (реєстраційний номер 01920033012).

Мета і задачі досліджень. Метою досліджень є геомеханічне обгрунтування ефективної технології управління важкообвалювальними покрівлями при розробці тонких викидонебезпечних пластів, яка базується на закономірностях дії вибуху в масиві та фізико-хімічного знеміцнення порід покрівлі лав, вироблений простір яких закладається пустою породою з використанням замкнених ПТС.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі сформульовані задачі, які визначають її основний зміст:

- дослідити механізм формування додаткової тріщинуватості та деформацій порід покрівлі під час дії на них підривними роботами, оцінити ступінь впливу параметрів вибуху на граничний стан породного масиву, розробити технологію БПР і програму оперативного прогнозу стійкості ВОП для вибору типу кріплення виїмкових виробок з пологим заляганням тонких викидонебезпечних пластів;

- обгрунтувати параметри технологічних схем управління ВОП з використанням фізико-хімічних методів їх знеміцнювання без торпедування покрівлі викидонебезпечних пластів та розробити алгоритм і програму прогнозу кроку первинного та наступних обвалень ВОП;

- розробити ефективні засоби механізації ПЗР та обгрунтувати технологію повного і часткового закладання виробленого простору з визначенням розрахункових параметрів та реакції опору охоронної бутової смуги, її ширини за безцілікового виймання викидонебезпечних і самозаймистих пластів;

- обгрунтувати технологічні схеми та параметри замкнених породотранспортних систем оперативної доставки породи до місця нагромадження для повного закладання виробленого простору з розробкою алгоритму та програм прогнозу;

-оцінити ефективність запропонованих технологічних схем розробки викидонебезпечних пластів з ВОП в умовах обмеження підривної дії на покрівлю та виконання закладальних робіт за допомогою розроблених засобів механізації.

Об'єкт досліджень - процеси управління важкообвальною покрівлею при проведенні підготовчих і виїмкових робіт.

Предмет досліджень - технологія ведення виїмкових і підготовчих робіт на пластах з важкообвальною покрівлею.

Ідея роботи полягає у застосуванні фізико-хімічних методів знеміцнювання важкообвальних покрівель та ефекту від зниження негативного впливу підривних робіт на покрівлю викидонебезпечних пластів при проведенні виробок з механізацією процесу закладання породи і використанням замкнених ПТС для своєчасного її постачання.

Методи досліджень. Поставлена мета і реалізація ідеї роботи досягнуті на основі системного підходу до вирішення проблеми, що включає порівняльний аналіз та узагальнення науково-технічних досягнень, теоретичні та експериментальні дослідження, методи статистики та хронометражу, математичної фізики, математичного моделювання, числові вирішення геомеханічних задач, використання фундаментальних законів механіки та теорії коливань і деформування конструкцій.

Наукові положення, які виносяться на захист:

1. При буропідривному проведенні виробок по пластах з ВОП граничний стан породного масиву формується максимальними дотичними напругами порід покрівлі, що викликають зсувні деформації та руйнування кріплення, які залежать від опору конструкції, глибини та інтенсивності розкриття тріщин під час хвильової передачі енергії вибуху від заряду ВВ в оточуючий масив.

Зниження вірогідності викиду порід у виїмкові виробки забезпечується використанням в них кріплення типу КПС та технологічних схем БПР, що виключає підривання шару порід покрівлі потужністю до (0,3...0,7) висоти виробки h, зі зменшенням в 1,25 раза коефіцієнта деформації покрівлі та в 10...15 разів глибини розкриття в ній тріщин, що в 1,4...1,6 раза скорочує витрати на повторне перекріплення та ремонт виробок.

2. У процесі фізико-хімічної дилатансії важкообвальні покрівлі (пісковики, вапняки з > 7) знеміцнюються з розриванням хімічних зв'язків структури під впливом відповідно 6- і 2-відсоткових водяних розчинів Na2СО3 або NaOH (для пісковиків) і AlCl3 або FeCl3 (для вапняків), що дає можливість усунути застосування підривного знеміцнення (торпедування) на викидонебезпечних пластах.

Крок первинного обвалення ВОП перебуває при цьому у прямій експоненціальній залежності від її потужності, коефіцієнта міцності порід та обернено пропорційно значенню суми розмірів довжини лави і потужності основної покрівлі, а крок наступних обвалень ВОП - у прямій експоненціальній залежності від потужності основної покрівлі, коефіцієнта її міцності і обернено пропорційно довжині лави. Це дозволило розробити технологію управління ВОП фізико-хімічною обробкою порід покрівлі, внаслідок чого по лінії знеміцнювання досягається зниження в 2,5...3 рази розтягуючих і в 1,8...2 рази стискуючих напруг порід покрівлі.

3. За технологією хімічного знеміцнення ВОП потужністю M0>20 м >12 із застосуванням розкосини спарених виробок знеміцнююча її ширина перебуває у прямій експоненціальній залежності від значення (M0 - потужність ВОП) і в оберненій залежності від довжини лави, яка діє від межі виїмкової дільниці; при потужності до 4 м відстань між знеміцнювальними свердловинами прямо пропорційна створюваному надлишковому тиску у свердловинах, потужності ВОП і обернено пропорційно напруженню її вигину і значенню (- довжина навислої консолі ВОП).

4. Продуктивність відпрацювання крутоспадних пластів з ВОП щитовими агрегатами АНЩ підвищується в 2,1 раза за умов повного закладання вибраного простору породою, самопливний рух якої характеризується коефіцієнтом динамічної рівноваги , що прямо пропорційний утримуючим силам тертя породної закладки і обернено пропорційний силам, які зсувають закладний масив за гравітацією. При >1,5 самопливний зсув породної закладки слідом за комплексом зупиняється, що провокує раптове обвалення ВОП та деформації секцій механізованого кріплення.

За безціликового виймання самозаймистих пластів і виконання породозакладних робіт реакція опору охоронної бутової смуги прямо пропорційна величині максимальної піддатливості кріплення, модулю пружності порід закладання і обернено пропорційно половині потужності пласта; при цьому дальність кидання породи, що передається від штреку в охоронну бутову смугу або в погашену виробку, прямо пропорційно добутку квадрата лінійної швидкості вантажонесучого органа перевантажувача-кидача, синусу кута його нахилу до горизонталі і обернено пропорційно значенню ( - прискорення вільного падіння; M1 та M2 - маси більших та менших кусків породи).

Встановлені закономірності дали змогу: прогнозувати відставання самопливної закладки від секцій механізованого кріплення і своєчасно переходити на технологічні схеми закладних робіт, що виключають раптові обвалення ВОП; обгрунтувати раціональні ширину бутової смуги, кінематичну схему та параметри перевантажувача-кидача, що загалом підвищило продуктивність ПЗР в 2,5...3 рази і стійкість кріплення дільничних пластових виробок в 1,3...1,4 раза із зменшенням витрат на їх перекріплення в 1,4...1,6 раза.

5. За виконання ПЗР з перевантаженням породи із вагонеток у бункер-потяг для доставки породи до місця закладання коефіцієнт динамічної стійкості системи підвісного перекидача вагонеток з глухим кузовом прямо пропорційний сумі моментів стримуючих сил і обернено пропорційний сумі моментів перекидаючих сил . При цьому обсяг породи, що передається з прохідницьких вибоїв споруджуваного горизонту для повного закладання виробленого простору, прямо пропорційно коефіцієнту обертальності вагонеток на споруджуваному горизонті, з якого порода передається до місця нагромадження для повної закладки. Ці закономірності враховані при обгрунтуванні кінематичної схеми і виготовлення експериментального зразка підвісного перекидача вагонеток, що сприяло підвищенню продуктивності праці в 2,5...3 рази за механізації ПЗР з частковим і повним закладанням породи, а також створенню замкненої породотранспортної системи, в якій продуктивність кожної попередньої транспортної ланки в 1,1...1,2 раза перевищує продуктивність наступної, що забезпечує зростання продуктивності ПЗР (в 2…2,5 раза) і зниження (в 1,2 раза) витрат з одночасним прискоренням будівництва горизонту.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Уперше розкрито механізм формування і величини додаткової тріщинуватості в масиві та особливості його поведінки при проведенні пластових підготовчих виробок з підриванням порід покрівлі на (0,3...0,7) висоти виробки h та кріпленням АКП. Це дало змогу обгрунтувати параметри технології БПР у виробках з кріпленням КПС, що знижують, на відміну від традиційної, негативну дію енергії вибуху ВР на покрівлю пласта з ВОП і підвищують стійкість виробок.

2. Уперше встановлені закономірності поведінки важкообвальних покрівель на тонких викидонебезпечних пластах при їх фізико-хімічному знеміцненні, що дало змогу розробити нові способи активного управління ВОП без її торпедування.

3. На підставі теоретичних та експериментальних досліджень поведінки ВОП при самопливній закладці виробленого простору в лавах крутоспадних пластів з комплексами АНЩ уперше визначений показник динамічної рівноваги закладного масиву - коефіцієнт динамічної рівноваги. Доведено, що при досягненні його критичних значень необхідно переходити на принципово нові засоби управління важкообвальними покрівелями.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджуються: коректністю поставлених завдань, застосуванням фундаментальних положень та апробованих методів геомеханіки гірських порід, гідродинамічної теорії вибуху ВР, теорії подрібнення порід вибухом, теорії граничного стану порід покрівлі, методів математичної фізики, математичного моделювання, теорії ймовірностей, дилатансії з комплексним виконанням шахтних, лабораторних, полігонних, статистичних, хронометражних, аналітичних та конструкторських випробувань упродовж 9 років на 14 вугільних пластах 9 шахт 7 виробничих об'єднань Донбасу: "Первомайськвугілля", "Луганськвугілля", "Лисичанськвугілля", "Макіїввугілля", "Шахтарськвугілля", "Краснодонвугілля", "Донбасантрацит" з експериментальною перевіркою результатів досліджень (розбіжність не перевищує 16%) у промислових умовах з упровадженням науково-технічних розробок, алгоритмів і програм прогнозу.

Наукове значення роботи полягає у фізико-технічному обгрунтуванні:

- закономірностей обмеження підривної дії на покрівлю виїмкових виробок з розробкою технології БПР і залежностей граничного стану покрівлі, що створює умови для розробки програм прогнозу і вибору кріплення виїмкових виробок;

- параметрів і технології фізико-хімічного знеміцнення ВОП на викидонебезпечних пластах, уникаючи торпедування покрівлі, з розробкою програм прогнозу параметрів для різних умов; створює умови для розробки програм прогнозу і вибору кріплення виїмкових виробок;

- нових засобів механізації ПЗР і замкнених ПТС з установленням закономірностей та розрахункових параметрів технології управління ВОП з повним або частковим закладанням порід;

- закономірностей і розрахункових параметрів охоронної бутової смуги та умов динамічної рівноваги закладного масиву.

Практичне значення отриманих результатів роботи полягає у розробленому програмно-методичному забезпеченні та впровадженні технології комплексного управління важкообвальною покрівлею на шахтах Центрального та Східного Донбасу, що включають:

- реалізовані програми вибору типу кріплення виїмкових виробок, прогнозу первинного та наступного обвалень ВОП, розрахункових параметрів для укладання паспортів управління ВОП, прогнозу продуктивності замкненої ПТС;

- методику вибору типу кріплення, яке обмежує підривну дію на покрівлю викидонебезпечних пластів при проведенні дільничних пластових виробок з пологим (до 15°) заляганням пластів;

- методику використання фізико-хімічних способів знеміцнення ВОП та технологію управління покрівлею з повним закладанням, що виключають торпедування покрівлі на викидонебезпечних пластах шахт Донбасу;

- нові засоби механізації ПЗР і замкнених ПТС доставлення породи до місця нагромадження для повного закладання;

- техніко-економічну оцінку ефективності запропонованих способів знеміцнення ВОП з використанням розроблених нових технічних рішень і засобів механізації ПЗР.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи:

- наукові положення і рекомендації у розробці фізико-технічних основ технології управління важкообвальною покрівлею на викидонебезпечних пластах Центрального і Східного Донбасу згідно з наказом за № 38 від 21.03.95р. Мінвуглепрому України ввійшли до складу пріоритетних напрямків розв'язання важливих завдань галузі;

- одержані наукові положення, методичні та технологічні розробки практично впроваджуються за розробленими програмами прогнозу поведінки і вибору типу кріплення дільничних пластових виробок, а також використовуються при розробці паспортів управління важкообвальною покрівлею без підривного знеміцнення покрівлі на викидонебезпечних пластах шахт виробничих об'єднань "Первомайськвугілля", "Донбасантрацит" та "Луганськвугілля";

- отримані науково-технологічні та конструкторські розробки до створення засобів механізації ПЗР (перевантажувач-кидач, підвісний перекидач вагонеток, перевантажувальні пристрої і бункер-потяг) упроваджуються на шахтах Центрального і Східного Донбасу при залишенні породи в шахті;

-на шахті "Янівська" та в проекті реконструкції шахти "Родіна" впроваджені замкнені породотранспортні системи для доставки породи від споруджуваного горизонту до місця її нагромадження для повного закладання, що забезпечує перспективний розвиток підземних підприємств та виконання екологічної програми.

Особистий внесок автора у розробку наукових результатів:

- формування наукової проблеми, мети, задач досліджень, наукових положень;

- побудова фізичної моделі підривної дії на покрівлю пласта виїмкових виробок з визначенням розрахункових параметрів до вибору типу кріплення, що усувають підривне знеміцнювання покрівлі виробок;

- розробка фізико-хімічних методів знеміцнення ВОП і розрахункових параметрів, що виключають торпедування покрівлі на викидонебезпечних пластах;

- фізико-технічне обгрунтування технології управління ВОП на викидонебезпечних пластах з обмеженням підривної дії на покрівлю пластових виробок;

- обгрунтування параметрів та розробка принципових схем замкнених ПТС і засобів механізації ПЗР, які впроваджуються на шахтах Донбасу.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та окремі розділи дисертації доповідалися і обговорювалися на семінарах гірничого факультету Української інженерно-педагогічної академії (м. Стаханов, 1997), на республіканській науково-технічній конференції вищих навчальних закладів України (м. Луганськ, 1991), на науково-технічній конференції Української інженерно-педагогічної академії, присвяченій 200-річчю промислового освоєння Донбасу (м. Стаханов, 1995), на науково-технічній конференції Харківського інженерно-педагогічного інституту (м. Харків,1992).

Публікації. Основні положення досліджень надруковані у 33 роботах, включаючи самостійно видану монографію, 18 статей, 10 авторських винаходів, з яких 6 – патенти Російської Федерації; 4 – матеріали конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновку, 11 додатків та списку використаних джерел з 198 найменувань, містить 297 сторінок, у тому числі 50 таблиць і 51 рисунок.

Основний зміст роботи

Із загального обсягу проведених виробок на викидонебезпечних пластах шахт Центрального і Східного Донбасу 80% закріплені сталевим арковим кріпленням типу АКП, 45% з яких - дільничні пластові виробки.

До 45% викидонебезпечних пластів з важкообвалювальною покрівлею, згідно з §2.3.27 ПБ та §223.1 ЄПБ для підривних робіт, розробляються за суцільною системою без повного закладання вибраного простору з використанням підривного знеміцнення ВОП. Для охорони виїмкових виробок на викидонебезпечних та самозаймистих пластах споруджуються бутові смуги завширшки 10…15 м.

Широке застосування аркового кріплення АКП, рекомендованого ДонНДІ для проведення виїмкових виробок, передбачає підривання шару порід покрівлі потужністю до (0,3...0,7) h висоти виробки і не враховує при цьому таких важливих чинників (з позиції підривного ініціювання), як додаткова тріщинуватість порід покрівлі, їх деформація та передчасний перехід у граничний стан, що прискорюють процес деформації гірського масиву. Внаслідок негативної дії вибуху при підривних роботах щорічно перекріплюється 15...20% виробок і витрачається до 15 млн грн.

Слід відзначити, що за останні роки розширився обсяг впровадження більш прогресивних засобів управління гірським тиском із закладкою виробленого простору, науково обгрунтовані рекомендації прогнозування та попередження раптових викидів породи, вугілля та газу.

Істотний внесок у вивчення фізичних основ знеміцнювання і руйнування гірських порід та поведінки геомеханічної системи "гірський масив -кріплення" зробили вчені С.Г. Авершин, А.Д. Алексєєв, А.А. Борисов, А.І. Берон, В.І. Бондаренко, А.Ф. Булат, В.В. Виноградов, В.Т. Глушко, А.Г. Гузь, Е.І. Єфремов, Ю.З. Заславський, М.П. Зборщик, А.М. Зорін, В.Г. Колесников, Г.Т. Кирничанський, О.В. Колоколов, О.М. Кузьменко, В.І. Ніколін, Л.В. Новікова, В.Д. Петренко, К.Ф. Сапицький, Б.М. Усаченко, В.І. Черняєв, О.М. Шашенко, Л.Н. Ширін та ін. У працях згаданих авторів вирішені важливі геомеханічні проблеми, пов'язані з поведінкою гірського масиву, що вміщує виробку, зміною його стану, управлінням геомеханічними процесами у масиві, проведенням, кріпленням і їх підтриманням у різних гірничо-геологічних умовах.

Теоретичні дослідження граничного стану гірських порід виконували А.Н. Ставрогін та А.Г. Протосеня, але вони не враховували вплив підривної дії на покрівлю пласта у виробках, закріплених арковим кріпленням. Недостатня увага останньому питанню приділена також у наукових роботах А.П.Борзих, В.В. Гур'янова, Л.М. Гусельникова, Н.Ф. Кусова, В.М. Кузнецова, О.А. Колесова, Н.А. Лобанова, Н.М. Мукушева, В.Н. Мосинця, Ю.А. Семенова, К.К. Софійського, А.Н. Ханукаєва, В.П. Шишкіна, які зробили внесок до визначення геомеханічних параметрів відносно знеміцнення ВОП вибухом ВР.

М.Н. Гелескул та В.Н. Каретников оцінювали геомеханічні умови застосування аркового кріплення стосовно конструктивних параметрів транспортних засобів переміщення вантажів. Дослідженнями К.В. Кошелєва, І.І. Будми та Д.А. Герасимчука встановлена послідовність геомеханічних процесів, що відбуваються у покрівлі підготовчих виробок, закріплених арковим кріпленням АКП (без врахування підривної дії на покрівлю пласта).

Оцінюючи наукову проблему, можна стверджувати, що вибір кріплення виробок на викидонебезпечних пластах та забезпечення їх стійкості остаточно не вирішена. Відсутні також комплексні дослідження дії фізико-хімічних методів знеміцнювання ВОП, які виключають торпедування покрівлі на викидонебезпечних пластах.

Відсутність досліджень впливу на стан покрівлі пласта глибини додаткової тріщинуватості, що утворюється в масиві за дії БПР, негативно позначається на виборі типу кріплення виїмкових виробок, а недостатність засобів механізації ПЗР і замкнених ПТС для повного закладання виробленого простору гальмує процес залишення породи в шахтах. Таким чином, механізм негативного впливу вибуху на важкообвальні покрівлі, а також фізико-хімічні способи їх знеміцнення ще достатньо не вивчені. Саме це зумовило автора виконати комплексні дослідження з проблеми створення фізико-технічних основ ефективної технології управління важкообвальною покрівлею, що усуває негативну підривну дію вибуху на покрівлю пласта.

Слід відзначити, що для визначення стійкості підготовчих виробок зараз використовуються численні критерії оцінки, показники яких різні автори інтерпретують по-різному. Тому для вірогідної оцінки стійкості пластових виробок у дисертації детально розглянуті критерії, які застосовують у роботах вчені НГА України, ІГТМ НАН України, ДонФТІ, ВНІМІ, ДонДТУ, МакНДІ, ДонНДІ та ін.

На основі досліджень А.М. Зоріна, О.В. Колоколова, О.М. Кузьменка, В.С. Кулініча, В.Я. Кириченка, К.В. Кошелєва, Л.Я. Парчевського, А.Л. Селезня, Б.М. Усаченка, В.І. Черняєва, А.В. Шмиголя, О.М. Шашенка та інших з'ясовано, що стійкість підготовчих виробок, попередньо пройдених до межі виїмкової дільниці, залежить від геомеханічних процесів, що відбуваються у зсувному гірському масиві під впливом очисного виймання і виробленого простору. Оцінюючи стійкість виїмкових виробок з арковим кріпленням, вони розглядають граничний стан масиву без урахування дії вибуху на покрівлю пласта, що підривається на (0,3...0,7) висоти виробки h. Під час дії підривних робіт у покрівлі пласта відбувається додаткове розкриття тріщин, які призводять до погіршення стійкості виробок у цілому. Проблема оперативної оцінки граничного стану покрівлі виробок пов'язана з відсутністю методики прогнозу погіршення їх стійкості за негативної дії вибуху як під час проведення виробок, так і при торпедуванні ВОП.

З усіх теорій, які масштабно описують ефект зниження міцності гірничого масиву, найбільш поширені статистична та граничного стану порід, що пояснюють порушення міцності гірських порід через наявність в них природних тріщин.

Тріщинуваті породи на відміну від монолітних деформуються за законом Кулона-Мора, згідно з яким важливим критерієм стійкості виробки є граничний стан порід, що вміщують виробку. Умови, за якими починаються відривання порід покрівлі та руйнування кріплення, характеризуються відомим виразом:

(1)

де RT - граничний опір порід зсуву; - граничний опір порід покрівлі відриву (за даними ВНІМІ RT = 0,78, а =0,650); - опір порід покрівлі розтягу; - опір порід покрівлі стиску; - максимальні дотичні напруги порід гірського масиву, що викликають зсувні деформації покрівлі при досягненні ними граничного стану.

Параметри граничного стану порід покрівлі пласта, що визначають початок її руйнування та деформації кріплень в існуючих методиках вибору типу останніх, до цього часу не бралися до уваги. Саме це обумовило необхідність розробки алгоритму прогнозу граничного стану породного масиву, який при виборі типу кріплення враховував параметри підривної дії зарядів ВР на покрівлю виїмкових виробок. Для вирішення першого завдання відносно обгрунтування ролі негативної дії енергії вибуху на масив при підриванні покрівлі пласта (кріплення АКП) та без нього (кріплення КПС) були виконані комплексні шахтні та теоретичні дослідження параметрів вибуху шпурових зарядів ВР, показників додаткової тріщинуватості порід покрівлі та величин їх конвергенції. Розрахункові параметри, що визначають граничний стан ВОП, а також алгоритми його прогнозу та вибору типу кріплення виробок на викидонебезпечних пластах, обґрунтовувалися на базі використання термодинамічної теорії вибуху ВР та теорій деформування і руйнування гірських порід.

Фактичні показники визначались експериментально на 32 замірювальних станціях, що встановлювалися при буропідривному проведенні вентиляційного та відкатного штреків 2-ї південної лави викидонебезпечного пласта (горизонт 980...1047 м) на шахті ім. Менжинського. Під час шахтних експериментів випробовувалися теоретично обгрунтовані паспорти БПР та кріплення.

Згідно з розробленою методикою досліджень одержані теоретично вихідні параметри стійкості виробок перевірялися на їх відповідність фактичним величинам конвергенції покрівлі пласта , що визначались експериментально також у виробках з кріпленням АКП-11,2 та КПС-11,2. Методикою передбачалося встановити закономірності деформацій та відторгнення порід покрівлі в цих виробках під впливом тріщин, що розкриваються під час хвильової передачі масиву енергії вибуху. З позиції механіки руйнування ВОП це визначалося через коефіцієнт деформації порід , який ураховує глибину додаткової тріщинуватості порід покрівлі пласта RП від енергії вибуху ВР. Зважаючи на теорію деформації гірських порід (дослідження Г.Т. Кирничанського, А.М. Зоріна, В.А. Гузченка, А.Г. Гузя), під час виконання роботи побудовано фізичну модель руйнування порід покрівлі на контурі вибою виробки під впливом тріщин, що поглиблюються при БПР.

Аналітично встановлено значення коефіцієнта Kд, що враховує деформацію порід покрівлі виробки при БПР з підриванням покрівлі пласта (кріплення АКП) і без дії БПР на неї (кріплення КПС):

(2)

де - конвергенція порід покрівлі під час вибуху шпурових зарядів ВР на контурі вибою виробки.

Експериментально встановлено, що при підриванні покрівлі пласта на 0,7h висоти виробки (кріплення АКП) коефіцієнт деформації порід в 1,25 раза вище, аніж у виробках з кріпленням КПС, конструкція якого усуває підривання покрівлі.

Для визначення балансу витрат енергії вибуху ВР на додаткову тріщинуватість у роботі використані основні положення термодинаміки і руйнування гірських порід вибухом ВР. Внаслідок експериментальних досліджень на шахті ім. Менжинського вперше виконана аналітична оцінка розрахункових параметрів та балансу витрат енергії вибуху ВР. Визначені експериментально результати стали базою для подальшого розвитку ідеї даної роботи, яка полягає у використанні ефекту від зниження негативного впливу підривних робіт на покрівлю викидонебезпечних пластів для забезпечення стійкості дільничних виробок.

У процесі досліджень параметрів вибуху на шахті ім. Менжинського встановлено, що у виробках з кріпленням АКП за дії підривними роботами на 0,7h вище пласта при =1,25 та кількості тріщин на 1 м керна =59 максимальна глибина Rn додаткової тріщинуватості дорівнювала 152 см. При цьому витрати енергії вибуху шпурових зарядів ВР на додаткову тріщинуватість становили 15,3% від загальної і досягали = 7,5 105 Дж.

При переході від традиційних технологічних схем буропідривного проведення виробок з кріпленням АКП-11,2 до схеми з кріпленням КПС-11,2 експериментально зареєстровано зменшення негативної дії вибуху на покрівлю пласта, яке полягало у зниженні глибини тріщинуватості та коефіцієнта деформації порід відповідно у 10...15 та 1,25 раза, а також у заміні крихкої деформації на пластичну із зменшенням піддатливості кріплень з 750 до 182 мм за рахунок зниження з 15,3 до 4,97% енергії вибуху ВР, яка витрачається на додаткове тріщиноутворення порід покрівлі пласта.

На рис. 1 - характер зміни параметрів додаткової тріщинуватості порід покрівлі пласта у виробках з кріпленням АКП при дії БПР на (0,3…0,7) вище пласта, а також з обмеженою дією при кріпленні КПС.

Для підготовки експериментальної лави було пройдено і оснащено механізованим комплексом 1КМТ розрізну піч завдовжки 200 м. За методикою шахтних досліджень з боків відкатного та вентиляційного штреків на крок первинного обвалення ВОП було пробурено верстатом СБГ-1 по 5 свердловин діаметром = 80 мм, а з боку розрізної печі - 20 аналогічних свердловин. Їх довжина та кут похилу дорівнювали відповідно = 25 м та =60°. Нагнітання 6%-ного знеміцнювального реагента Na2CO3 виконувалося насосами типу УНВ-2 через гідравлічні затвори ГАС-80 під тиском =0,9...1,5 МПа, яке постійно підтримувалося протягом доби. Загальна кількість хімічного реагента, що подавався в свердловини, дорівнювала =56...78 м3.

Результати шахтних досліджень процесу дилатансії порід покрівлі - в таблиці.

Шахтними експериментами виявлено, що для пісковиків з =9 за дилатансією стискуючі напруження знижуються в 1,8...2,1 раза, а розтягуючі - в 2,3...2,5 раза (за =0,9 МПа). Для вапняків з =9 стискуючі напруження знижуються в 1,8...2,4 раза, а розтягуючі - у 2,1... 2,3 раза (за = 0,9 МПа).

На другому етапі цього завдання для класифікованих за потужністю та міцністю ВОП вирішувалися задачі обгрунтування доцільних кроків первинного і наступних їх обвалень за дією хімічних методів знеміцнювання (при 20 м), а також ширини розкосини (при >20 м).

Оскільки первинні та наступні обвалення ВОП пов’язані з максимальним моментом їх вигину , то за допомогою аналітичного вирішення задач геомеханіки та теорії пружності з граничними умовами були отримані розрахункові значення для пісковиків.

Завдяки статистичним, аналітичним та шахтним дослідженням одержана емпірична залежність (алгоритм) визначення кроку первинного обвалення ВОП:

(5)

де -потужність основної ВОП, м; - потужність безпосередньої покрівлі, м; - міцність ВОП по лінії свердловин знеміцнювання (знижена дилатансією вдвічі); - довжина розрізної печі, м.

На рис. 3 для параметричного ряду кроків первинного обвалення ВОП наведено характер зміни відстані між знеміцнювальними свердловинами залежно від потужності основної покрівлі.

Ефективність нетрадиційного способу знеміцнювання ВОП (ш. "Краснокутська") оцінювалася працездатністю механізованого кріплення комплексу 1КМТ у процесі дилатансії. На шахті "Краснокутська" виявлена динаміка зміни гірського тиску на секції кріплення до і після первинного обвалення основної покрівлі за дилатансією. З використанням реєстраторів тиску типу РТК встановлено, що до первинного обвалення ВОП (пісковик =18 м з =8) максимальний опір секцій механізованого кріплення комплексу 1КМТ становив 560...580 кН/м2 при конвергенції покрівлі 43...45 мм/доб, а після первинного обвалення знизився до 101... 110 кН/м2.

Доведено, що за рахунок цілеспрямованого управління важкообвальними покрівлями можлива заміна комплексу 1КМТ з опором секцій механізованого кріплення 1000 кН/м2 на КМ-103М з несучою здатністю 600 кН/м2.

Розроблена програма прогнозу параметра забезпечує укладання паспортів управління ВОП, що виключає її торпедування на викидонебезпечних пластах.

Для вирішення завдання з установленням кроку наступних обвалень ВОП використані шахтні та статистичні дослідження.

На базі виконаного комплексу досліджень одержані емпірична залежність та алгоритм прогнозу для визначення кроку наступних обвалень ВОП:

де - знижена вдвічі за дилатансією міцність порід ВОП; - потужність основної ВОП, м; - потужність безпосередньої покрівлі, м; - довжина лави, м.

Правомірність алгоритму (6) підтверджена практичними даними (розбіжність до 16%) при відпрацюванні пласта шахти “Краснокутська”, де завдяки активному управлінню ВОП крок їх наступних обвалень за дилатансією доведено до = 25 м, а максимальне навантаження на секції механізованого кріплення 1КМТ під час чергових обвалень не перевищило 395.. .405 кН/м2.

Слід відзначити, що після завершення шахтних досліджень з хімічного знеміцнення ВОП крок її наступних обвалень в експериментальній лаві збільшився до 43...45 м, а навантаження на кріплення досягло 775 кН/м2 при допустимому 800... 850 кН/м2.

Дослідження особливостей обвалення покрівель у комплексно механізованих лавах викидонебезпечних пластів з ВОП потужністю M0>20 м,>12 дозволили розробити найбільш ефективні для шахт Східного Донбасу технологічні схеми відпрацювання виїмкових стовпів з використанням хімічного знеміцнювання та розкосин спарених штреків. Геомеханічне обгрунтування параметрів технологічних схем здійснювалося за результатами статистичних, експериментальних та аналітичних досліджень і передбачало розробку емпіричної залежності та алгоритму прогнозу ширини розкосини між спареними штреками. Згідно з методикою досліджень розрахункові параметри перевірялися в умовах відпрацювання 6-ї західної лави пласта шахти “Жданівська”.

У складі математичної моделі використано латинський квадрат, в якому існує зв’язок кореляційних залежностей та моменту максимального вигину ВОП. Алгоритм визначення ефективної ширини розкосини між спареними штреками при хімічному знеміцнюванні покрівлі викидонебезпечних пластів з ВОП потужністю M0>20 має вигляд:

де M0- потужність основної ВОП, м; - коефіцієнт міцності порід ВОП; MH- потужність безпосередньої покрівлі, м; L - довжина лави, яка діє від межі виїмкової дільниці, м.

За алгоритмом (7) і результатами шахтних досліджень, на 14 викидонебезпечних пластах Донбасу з ВОП потужністю M0>20 м з >12 розроблена діаграма визначення ширини розкосини між спареними штреками.

Ефективність нетрадиційних способів знеміцнення важкообвальних покрівель потужністю 4 м та міцністю =7...12 визначалася за результатами досліджень альтернативних методів гідрофізичного та гідромеханічного розриву гірських порід, які концептуально являли собою заключний етап комплексної програми розробки технологічних схем активного управління ВОП без їх торпедування.

Теоретичне обгрунтування параметрів гідрофізичного та гідромеханічного методів відколювання блоків пісковика відбувалося з використанням теорії максимальних напруг Сен-Венана та кріогенного процесу швидкопливного розширення криги в тріщинах між знеміцнювальних свердловинами, пробуреними з кроком a по лінії розколювання. Величини надлишкового тиску у свердловинах (шпурах) та відстані a між ними - основні критерії, що характеризують принцип дії досліджуваних методів знеміцнювання гірських порід. Він полягає в тому, що надлишковий тиск, який штучно створюється в знеміцнювальних свердловинах (шпурах), діє на їх стінки і розповсюджується в масиві по природних мікротріщинах, перетворюючи останні на макротріщини по лінії розколювання.

При раціональній відстані між знеміцнювальними свердловинами ефект знеміцнювання порід - розколювання настає в момент, коли макротріщини, що розповсюджуються від сусідніх свердловин (шпурів), змикаються і таким чином формують лінію розколювання.

Для реалізації гідрофізичного методу управління ВОП за джерело силового впливу на них був узятий рідкий вуглекислий газ CO2, охолоджений до стадії “сухого льоду”. Зерез відсутність досвіду використання подібних методів у шахтних умовах технологія знеміцнення гірських порід відпрацьовувалася на діючому Новопавлівському кар’єрі. За результатами полігонних випробувань були розроблені технологічні схеми нетрадиційного знеміцнювання пісковика міцністю =10. Одночасно на спеціальному ручному пресі із зрідженого CO2 виготовляють брикети діаметром =70 мм, які поміщають в переносні контейнери-термоси для запобігання випаровування.

Процес безпосереднього знеміцнення ВОП розпочинався після додавання в робочі свердловини вуглекислотнх брикетів, які швидко перетворюються на газ з температурою мінус 65° С, що викликає різке зниження температури води в свердловинах та тріщинах і також швидке її перетворення на лід і його розширення.

Експериментальними дослідженнями встановлено, що кріогенний процес швидкого розширення на 8...10% об’єму криги в тріщинах та свердловинах, заповнених вуглекислотними брикетами, збільшує надмірний тиск на стінки свердловин до 113...197 МПа, що багаторазово перевищує межі опору пісковика розтягу (=10...15 МПа). Величини надмірного тиску виявлялися за мінусової температури криги в усті свердловин, яка реєструвалася спеціальними термометрами (методика ІХФ АН РФ). Зниження за допомогою вуглекислотних брикетів температури криги з мінус 5° до мінус 15° С зумовлене відсутністю у криги фізичної властивості повзучості, за рахунок чого надмірний тиск спрямовується на розколювання блока пісковика потужністю до 4 м.

Гідромеханічний метод розколювання пісковика з =7…10 базувався на утворенні надлишкового тиску в знеміцнювальних шпурах за рахунок пуансонів (розширювачів), що встановлювалися