Донецький

державний технічний університет

Борзих Анатолій Пилипович

УДК 622.268.2: 622.031.2 (477 61/.62)

Розробка способів охорони підготовчих

виробок при відпрацюванні пологих

вугільних пластів східного регіону

Українського Донбасу

Спеціальність 05.15.02 | “Підземна розробка родовищ

Корисних копалин”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Донецьк 1998

Дисертація є рукописом

Робота виконана у Донбаському гірничо-металургійному інституті Міністерства освіти України

Офіційні опоненти:

заслужений діяч науки і техніки України, професор, доктор технічних наук, Донбаський гірничо-металургійний інститут, завідувач кафедри (м.Алчевськ) |

Литвинський

Гаррі

Григорович

доктор технічних наук, професор, Донецький державний технічний університет, головний науковий співробітник наукової частини (м.Донецьк) |

Назимко

Віктор

Вікторович

доктор технічних наук, шахта “Західно-Донбаська” ВО “Павлоградвугілля”, директор шахти (м.Павлоград) | Халімендик

Юрій

Михайлович

Провідна установа Інститут геотехнічної механіки НАН України (м. Дніпропетровськ)

Захист відбудеться “_13__”___листопада_________1998р. о _12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.05 у Донецькому державному технічному університеті за адресою: 340000, м. Донецьк, вул. Артема, 58

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького державного технічного університету

Автореферат розісланий “_29_”___вересня_________1998р.

Вчений секретар вченої спеціалізованої ради,

доктор технічних наук, професор | М.Р. Шевцов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Вугільна промисловість основний складник паливно-енергетичного комплексу України. Подальше підвищення ефективності підземного вуглевидобутку неможливе без удосконалення існуючих та упровадження нових технологій, способів і засобів ведення гірничих робіт.

У Донецькому басейні із збільшенням глибини розробки вугільних пластів однією з найбільш актуальних залишається проблема забезпечення збереження пластових підготовчих виробок, які підлягають впливу очисних робіт. На пологих пластах їх протяжність становить 70-80% від усіх підтримуваних підземних гірничих виробок. Незважаючи на збільшення витрат на ремонт виробок, стан їх на шахтах Донбасу не поліпшується, і пересічно 13% з них за протяжністю не відповідають експлуатаційним вимогам. Останнім часом окреслилась тенденція зростання цього негативного показника. Загалом на шахтах Українського Донбасу щороку ремонтується і перекріплюється 1.52 тис.км виробок (10-12% загальної їх протяжності). Трудомісткість робіт з утримання виробок на 1000т добутого вугілля становить приблизно 60 людино-змін за досить низького рівня їх механізації 1.5-3%. З огляду на це залишається актуальною проблема досліджень складних геомеханічних процесів, що відбуваються навколо підготовчих виробок, для удосконалення існуючих і віднайдення нових ресурсозберігаючих способів і засобів їх охорони та підтримання.

Дисертаційна робота виконана на кафедрі розробки пластових родовищ ДГМІ у межах рішення галузевої проблеми удосконалення і розробки нових технологічних процесів та засобів охорони й підтримання виробок на глибоких вугільних шахтах. Номери держреєстрації тем, виконаних за планами колишнього Мінвуглепрому УРСР, такі: 74064869, 75033045, 76013287, 81017657, 01820074223, 01860106604, 01880012734, 01890025660, 01910014982.

Мета роботи розробка та упровадження нових ефективних способів та засобів охорони пластових підготовчих виробок при відпрацюванні пологих вугільних пластів в умовах шахт східного регіону Українського Донбасу.

Ідея роботи полягає у використанні підвищеного відпору охоронних конструкцій та створенні у вміщаючій товщі локальних зон розвантаження для забезпечення стійкості пластових виробок, що підлягають активному впливові очисних робіт.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої мети в роботі використано комплексний метод дослідження, який включає узагальнення наукових здобутків та виробничого досвіду, аналітичні дослідження, математичне моделювання, лабораторні випробування та шахтні інструментальні спостереження, статистичну обробку даних, системно-логічний та техніко-економічний аналізи, промислові випробування і впровадження способів охорони виробок.

Наукові положення, розроблені особисто здобувачем, які виносяться на захист, та їх новизна.

1. Вперше для умов тонких пологих пластів східного регіону Українського Донбасу установлена залежність критерію обвалюваності порід покрівлі у лавах від сукупного впливу потужності і чергування породних шарів, коефіцієнту їх міцності та щільності природної тріщинуватості. Величина його для важкообвалюваних і вельми важкообвалюваних покрівель змінюється відповідно у межах 0.1 0.3 та 0.31 0.65; при цьому із зростанням числового значення крок періодичного осідання покрівлі збільшується за параболічною залежністю. Установлено істотний вплив кроку обвалюваності покрівлі на величину максимального навантаження, що сприймається спорудженими у виробці охоронними опорами.

2. При зміні швидкості посування лави у межах 1.7 12.6 м / доб. у пластовій виробці, підтримуваній у зоні тимчасового опорного тиску, установлена залежність зміни швидкості зміщень її породного контуру від величини добового прискорення посування лави.

3. Натурними спостереженнями установлено механізм сприйняття тиску осідаючих порід спорудженими біля виробки охоронними опорами обмеженої податливості за рівномірної добової швидкості посування лави, який полягає у сприйнятті максимального навантаження на відстані 30 80 м від вибою лави, далі після піку навантаження відбувається її поступове зниження в 1.1 1.8 раза, і настає стабілізація тиску на охоронні опори. Рівень зменшення навантаження на охоронні опори залежить від характеру і висоти обвалення порід покрівлі та відстані від кромки вугільного масиву до місця повного зімкнення порід покрівлі й підошви у виробленому просторі лави.

4. Установлено косинусоїдальний розподіл уздовж виробки додаткового тиску порід важкообвалюваної покрівлі на споруджені охоронні опори; при цьому величина такого тиску (привантаження) зумовляється потужністю порід важкообвалюваної покрівлі і співвідношенням довжини кінцевої ділянки лави до кроку обвалення покрівлі. Якщо крок обвалення покрівлі становить понад 20 м, а співвідношення 1.2 і більше, споруджені біля виробки опори сприймають повторний тиск, величина якого на порядок менша.

5. Експериментально в натурних умовах установлено зміну частоти (щільності) тріщин від гірського тиску в породах покрівлі пласта висотою до 2 м, що прилягають до виробки з боку масиву вугілля, яка виявляється в експоненціальному зменшенні кількості тріщин на 1м на відстані до 14 м по напластуванню від кромки масиву; при цьому частота тріщин змінюється від 20 до 2.

6. При охороні з боку лави пластової виробки спареними і поділеними розвантажною порожниною (просіком) ціликами вугілля розкрито особливості механізму їх взаємодії з уміщаючими породами, які виявляються, по-перше, у руйнуванні цілика шириною 2 4м, що безпосередньо прилягає до виробки, по-друге, у сприйнятті вугіллям, що знаходиться у позаграничному стані, тиску осідаючих порід покрівлі аналогічно спорудженою з попереднім розпором штучною бутовою смугою. Такий механізм взаємодії істотно зменшує у виробці величину вертикальних зближень порід покрівлі та підошви, при цьому зростання горизонтальних зміщень порід контуру компенсується кріпленням і порожнинами простору за кріпленням.

7. Аналітично обгрунтовано та експериментально підтверджено істотний вплив кута нахилу відсічних свердловин до площини напластування вміщаючої товщі на ефективність знеміцнювання зарядами ВР порід важкообвалюваної покрівлі: із зменшенням кута нахилу зростає вплив вибуху зарядів на оточуючі породи; максимальний вплив вибуху досягається за умови розташування свердловинного заряду в площині напластування, у шарі слабких порід і на відстані не більше 0.5м від контакту з міцним шаром.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджуються переконливим і достатнім обсягом натурних вимірювань проявів гірського тиску апробованими методами в 70 лавах та 32 підготовчих виробках; замірами об’єму відкольної воронки в усті 49 підірваних свердловин передового торпедування важкообвалюваної покрівлі; застосуванням методів математичного моделювання, механіки суцільного середовища та статистичною обробкою даних; задовільним збігом прогнозованих та фактичних параметрів (розбіжності близько 30 %); результатами промислових випробувань та упровадження способів охорони підготовчих виробок, що підлягають впливу очисних робіт.

Наукове значення роботи полягає у більш повному розкритті особливостей та закономірностей протікання геомеханічних процесів у розробленій товщі при вийманні вугілля лавами і наявності у покрівлі відпрацьовуваних пластів важкообвалюваних і вельми важкообвалюваних порід. Обгрунтовано критерій кількісної оцінки обвалюваності порід покрівлі у лавах. Установлено вплив добового прискорення посування лави на інтенсивність зміщень порід контуру пластової виробки, підтримуваної у зоні тимчасового опорного тиску. Розкрито особливості механізму впливу періодичних осідань важкообвалюваної покрівлі у лаві на формування та зміну навантаження, що сприймається спорудженими уздовж виробки охоронними конструкціями. Всі ці особливості та закономірності зсунення порід розробленої товщі слід враховувати при виборі і обгрунтуванні розрахункових схем для визначення раціональних параметрів охоронних конструкцій виробок, які підтримують у зоні активного впливу очисних робіт. Метод розрахунку свердловинних зарядів ВР дозволяє прогнозувати рівень знеміцнювання важкообвалюваних шарів порід покрівлі при веденні очисних робіт і охороні виробок.

Практичне значення роботи полягає у розробці засобів і методів інженерного розрахунку параметрів охорони виробок з боку лави штучними конструкціями (опорами) із збірного залізобетону, спареними податливими ціликами вугілля, при проведенні виробок услід за лавою вприсічку до виробленого простору; розроблена технологія знеміцнювання структурно-неоднорідної важкообвалюваної покрівлі підриванням зарядів ВР у шарових свердловинах. Новизна способів, засобів та технологій охорони виробок захищена 13 авторськими свідоцтвами на винаходи, одним патентом.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи.Спосіб охорони пластових виробок конструкціями із залізобетонних блоків упроваджений у 89 виробках 26 шахт 10 виробничих об’єднань з економічним ефектом 694,4 тис. карбованців ( тут і далі в цінах до 1985р.). Охорона виробок спареними податливими ціликами вугілля упроваджена у 7 виробках двох шахт об’єднання “Ровенькиантрацит” з економічним ефектом 169.85 тис. карбованців, шляхом їх проведення уприсічку до виробленого простору услід за лавою на шахті “Червоний партизан” об’єднання “Свердловантрацит” (три виробки) з економічним ефектом 144.15 тис. карбованців.

Результати роботи включені у галузеві нормативні документи колишнього Мінвуглепрому СРСР: Прогресивні паспорти кріплення охорони і підтримання підготовчих виробок при безціликовій технології відпрацювання вугільних пластів.Л.: ВНДМІ, 1985.112с. (паспорт 12); Інструкція по вибору способу та параметрів знеміцнювання покрівлі на виїмкових дільницях.Л.: ВНДМІ, 1991. 102с. (с. 19, 59, 77).

Наукові та прикладні результати роботи використовуються у навчальному процесі при підготовці спеціалістів гірничого профілю.

Апробація роботи. Основні результати роботи обговорювались і дістали схвалення на щорічних науково-технічних конференціях ДГМІ (Алчевськ, 1975-1996), на технічних радах об’єднань “Луганськвугілля” (1982) та “Ровенькиантрацит” (1985), на засіданнях секцій гірського тиску і гірських ударів ВНДМІ (Ленінград, 1987), гірського тиску ІГС ім. О.О.Скочинського (Люберці, 1988) і проектного інституту “Луганськдіпрошахт” (Луганськ, 1988).

Публікації. Наукові і прикладні результати дисертації опубліковані у 45 наукових працях, в тому числі 13 авторських свідоцтв і 1 патент. Особисто автором опубліковано 6 наукових статей і 1 патент.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація включає вступ, 5 розділів, висновок , список посилань з 299 найменувань; містить 75 ілюстрацій, 43 таблиці. Загальний її обсяг 367 сторінок.

Автор вдячний проф., доктору техн. наук М.П. Зборщику за постійну увагу до роботи і надану науково-прикладну консультативну допомогу в ході її виконання; співробітникам лабораторії охорони і підтримання підготовчих виробок глибоких шахт ДГМІ за допомогу у виконанні шахтних досліджень; працівникам вугільних шахт східного регіону Українського Донбасу за сприяння і допомогу при упровадженні результатів досліджень; проф., доктору техн. наук Ф.М. Воскобоєву за методичну і практичну допомогу при проведенні натурних спостережень.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Проблема збереження стійкості виробок, які прилягають до очисних вибоїв, при розробці вугільних пластів постійно знаходиться у центрі уваги вітчизняної і зарубіжної гірничої науки і техніки. Досягнення у розв’язанні цієї проблеми багато в чому визначаються основними дослідженнями ДонУГІ, ВНДМІ, ІГС ім. О. О. Скочинського, ІГТМ АН України, ДГІ, ДПІ, МГІ, ЛГІ та інш. Істотний внесок у дослідження різних аспектів указаної проблеми внесли М.П.Бажин, В.І.Барановський, О.П. Бахтін, В.Т. Глушко, А.С. Діманштейн, М.П.Зборщик, Ю.З. Заславський, К.В.Кошелєв, В. Краммер, С. М. Липкович, Г.Г.Литвинський, О. І. Мельников, А. Л. Селезень, Я. Фармер, Г. Л. Фісенко, І.Л.Черняк, Є. І. Шемякін, Г. Еверлінг, О. Якобі та інші. Зростання глибини розробки і пов’язані з цим погіршення гірничо-геологічних умов постійно висувають нові вимоги, пов’язані з ресурсозбереженням, до охорони пластових підготовчих виробок, які підлягають активному впливу очисних робіт.

Перший розділ роботи присвячений аналізу стану охорони пластових дільничних виробок та досягненням гірничої геомеханіки щодо збереження їх стійкості.

На шахтах Донбасу пластові виїмкові, підготовлюючі виробки становлять відповідно приблизно 50 і 20% від їх загальної протяжності. Умови охорони і підтримки цих виробок ускладнюються із збільшенням глибини розробки (пересічно 8м на рік). Упровадження безціликової технології охорони до кінця сімдесятих років стосувалось здебільшого виїмкових виробок. Підготовлюючі виробки охороняються широкими ціликами (близько 88%). Із зростанням глибини розробки простежується тенденція збільшення ширини охоронних ціликів, що не завжди доцільно з точки зору заощадження. У ряді випадків при пластовій підготовці неминуче застосування охоронних ціликів, отже, виникає потреба зменшення їх ширини і збереження належної стійкості виробок.

У східному регіоні Українського Донбасу відпрацьовуються здебільшого тонкі пологі пласти високометаморфізованого вугілля марок Т, ПА і А, вміщаючі породи яких більш міцні проти пластів нижчого ступеня катагенезу. Згідно з існуючими дослідженнями міцність одних і тих же порід зростає із збільшенням глибини розробки. У таких умовах породи покрівлі у лаві більшою мірою здатні до зависання і мають великий крок обвалення. Якщо у підроблюваній товщі надто міцні шари порід потужністю понад 3м залягають на відстані од пласта менше 5-кратної його потужності, то вони утворюють важкообвалювані покрівлі. Такими в об’єднаннях “Лисичанськвугілля” та “Краснодонвугілля” є пласти відповідно к8 та к2 (марки вугілля Г і К), покрівлі яких являють собою шар надто міцного вапняка. У літературі немає кількісного критерію, яким можна було б схарактеризувати поведінку важкообвалюваної покрівлі стосовно умов Донбасу.

Вперше шахтні дослідження впливу періодичних осідань одношарової важкообвалюваної покрівлі на виїмкові виробки були проведені в кінці сімдесятих років на шахтах Інтинського родовища при розробці вугільних пластів середньої потужності на невеликій глибині. Однак цими дослідженнями повністю не розкритий механізм впливу періодичних осідань важкообвалюваної покрівлі на стійкість охоронних опор і підготовчої виробки, що прилягає до лави. При цьому як захист підтримуваної виробки від впливу періодичних осідань покрівлі запропоновано спосіб її відсічки зарядами ВР у випереджаючих лаву похилих свердловинах.

Аналіз літератури показав, що відсутні дослідження впливу кута нахилу свердловин на ефективність знеміцнювання порід важкообвалюваної покрівлі.

В.Ю. Кардаков (КГМІ) у шістдесяті роки на неглибоких шахтах Донбасу для охорони виїмкових виробок запропонував застосовувати як захисні опори обмеженої податливості тумби із збірних залізобетонних блоків (БЗБТ). Однак відсутність достатнього геомеханічного обгрунтування механізму взаємодії цих опор з боковими породами в умовах глибоких шахт, особливо при періодичних осіданнях важкообвалюваних покрівель, стримує процес розширення сфери застосування цього способу охорони. Істотною вадою у застосуванні БЗБТ є відсутність засобів механізації для їх установлення. Застосування для охорони виробок литих смуг з тверднучих матеріалів, які майже повністю виключають ручну працю, не вийшло за межі експерименту. При збільшенні інтенсивності проявів гірського тиску на кінцевій ділянці лави, пов’язаної із зростанням глибини розробки, а також періодичними осіданнями важкообвалюваних покрівель, досить проблемним залишається створення швидкотверднучого матеріалу, який забезпечує відповідні швидкість набирання опору та жорсткість литої смуги. Як показали дослідно-промислові випробування, у окремих випадках споруджувані литі смуги, які у період активних зближень бокових порід не досягають необхідних податливості і опору, передчасно руйнувались із втратою стійкості виробки, яка охороняється. Однак не повною мірою вивчені особливості механізму і характеру зміщень бокових порід на кінцевій ділянці лави, де починається формування навантаження на зведені штучні захисні опори. При цьому не досить вивчене питання допустимих величин податливості та опору захисних опор на різній відстані від лави і виробки, що охороняється, які забезпечують функцію різальної опори для обвалюваних покрівель. Немає аналітичних досліджень щодо визначення впливу періодичних осідань важкообвалюваних покрівель на ці захисні опори і виробку, яка охороняється ними.

У гірничо-технічній літературі суперечливою залишається оцінка впливу окремих чинників на інтенсивність зміщення контуру виїмкових виробок. Всі автори потверджують, що із збільшенням швидкості посування лави інтенсивність зміщень контуру знижується, а навантаження на захисні опори постійно зростає. Неоднозначно трактується положення, що на кінцевій ділянці лави зміщення порід менші, ніж у її центральній частині. Такі висновки зроблені за малої кількості чинників, тобто без врахування особливостей проявів гірського тиску у лаві, характеру і тривалості зсування підроблюваної товщі. У натурних умовах не установлені закономірності зміни у часі зближення бокових порід на кромці вугільного масиву, ступінь руйнування порід покрівлі у зоні його природного розвантаження, глибина поширення цієї зони.

Є теоретичні докази, що напружено-деформований стан порід у приконтурній частині вугільного масиву залежить від кроку обвалення порід покрівлі і незмикання її шарів з підошвою. Ці висновки не підтверджуються шахтними спостереженнями і враховують обмежений діапазон умов. При цьому взагалі не приділяється увага питанню зміни у часі довжини завислих прольотів покрівлі.

З огляду на це для розкриття повноти механізму взаємодії опорних елементів з боковими породами за різних способів охорони виробок необхідні додаткові дослідження, які охоплюють умови регіону.

Спосіб охорони пластових виробок проведенням їх вприсічку до виробленого простору успішно застосовується за стовпової системи розробки на неглибоких шахтах і, як правило, на пластах з низьким ступенем категенезу вміщаючих порід (марка вугілля Г і Д). На глибинах понад 700 м навіть за наявності стійких вміщаючих порід (марка вугілля ПА, А) зберегти присічну виробку попереду лави на відстані 30 40 м (у зоні сумарного динамічного опорного тиску) практично неможливо через великі зміщення контуру виробки і повну деформацію кріплення. Якщо присічну виробку проходять услід за лавою, то залишається не досить повно вивченим механізм взаємодії охоронних опор із зруйнованими боковими породами на межі старого і нового вироблених просторів. Зокрема, немає чітких обгрунтувань вибору параметрів розташування присічної виробки, не установлений період її безремонтного підтримування тощо.

Відомі у практиці спроби використати для охорони дільничних виробок способи розвантаження ціликів або приконтурної частини вугільного масиву за допомогою свердловин, щілин, підривання комуфлентних шпурових зарядів ВР, як правило, не справляють позитивного впливу на збереження стійкості підтримуваних виробок. Причина в тому, що наявність малих розвантажувальних порожнин у законтурному просторі виробки не може компенсувати інтенсивних зміщень порід контуру, викликаних впливом очисних робіт.

На підставі викладеного вище сформульована мета роботи і визначені такі завдання дослідження.

1. Вивчити особливості структури, властивостей і обвалюваності порід покрівлі у лавах, установити ступінь і характер впливу періодичних осідань важкообвалюваної покрівлі на величину навантажень, яку сприймають охоронні конструкції, споруджені з боку лави уздовж підтримуваної пластової виробки.

2. Вивчити закономірності зсувань і зміщень вміщаючих порід на кінцевій ділянці лави при підтримуваній виробці у зоні впливу очисних робіт за змінної швидкості посування очисного вибою.

3. Обгрунтувати модель формування навантажень на споруджені біля пластової виробки охоронні конструкції, за даними натурних спостережень визначити її параметричні характеристики для розробки інженерного методу розрахунку сприйнятих навантажень, в тому числі і з урахуванням періодичних осідань важкообвалюваної покрівлі.

4. Розробити метод розрахунку параметрів розташування свердловин для торпедування і ефективного знеміцнювання порід важкообвалюваної покрівлі, визначити при цьому раціональні параметри розташування виробок, які проводяться вприсічку до виробленого простору услід за посуванням лави.

5. При охороні з боку лави пластових виробок ціликами вугілля віднайти шляхи і способи розвантаження ціликів від підвищеного гірського тиску, зберігаючи при цьому належну стійкість підтримуваних виробок та істотно зменшуючи експлуатаційні втрати вугілля.

6. Розробити ефективні способи охорони пластових виробок, які зазнають активного впливу очисних робіт, провести їх промислові випробування і впровадження на пологих пластах східного регіону Українського Донбасу.

У другому розділі наведені результати шахтних інструментальних спостережень бокових порід у лавах з важкообвалюваною покрівлею, на кромці вугільного вибою лав після їх остаточної зупинки, а також на кінцевих ділянках лав і у підготовчих виробках, які до них прилягають, для визначення особливостей проявів гірського тиску у вищевказаних виробках і виявлення ступеня впливу основних чинників на їх стійкість. При цьому використані розроблені за участю автора нові методи шахтних вимірювань із застосуванням нівеліра НШТ-1 та фотограмметрії, які дозволяють у сукупності з відомими методами визначити відповідно порізно підняття підошви і опускання покрівлі, зміщення контуру виробки, а також ступінь руйнування відслонених навколо неї порід та вугілля.

На підставі вивчення структури бокових порід пологих вугільних пластів шахт Донбасу установлено, що майже 83 % важкообвалюваних покрівель складаються більше ніж з двох шарів порід, неоднорідних за літологічним складом і міцністю. Неоднорідність будови цих покрівель справляє істотний вплив на періодичність їх осідань у лаві. Виходячи з геомеханічних основ процесу деформації і руйнування відслоненого лавою масиву порід покрівлі у виробленому просторі, зробили висновок, що періодичність цих осідань зумовлена граничною довжиною консолі зависання важкообвалюваних шарів, тобто кроком їх обвалення. Величина цього кроку залежить насамперед від положення центру ваги обвалюваної консолі покрівлі та основних вихідних структурно-міцнісних характеристик шарів, з яких вона складається (потужності і послідовності їх залягання, коефіцієнту міцності та щільності, тріщинуватості порід). Згідно з інтерпретацією будови масиву покрівлі і можливістю тривимірної системи координат пов’язати сукупний вплив вищевказаних параметрів отримана залежність для визначення умовного кількісного критерію обвалюваності порід покрівлі в межах її 20-метрової товщі. Величина цього критерію

, рад., (1)

, ,

, , ,

де коефіцієнт міцності порід у шарі потужністю (м);

щільність їх природної тріщинуватості (м) при n кількості шарів.

Якщо щільність природної тріщинуватості невідома, то критерій обвалюваності покрівлі визначається за аналогією з (1):

, рад. (2)

Обидва ці критерії відображають положення загального центру “ваги” об’ємної з координатами , та (для ) і плоскої фігур та (для ) через кутовий параметр (величина кута між віссю ординат і лінією, яка з’єднує цей центр “ваги” з початком координат). Для важкообвалюваних і вельми важкообвалюваних покрівель тонких пологих пластів Донбасу вказані критерії становлять відповідно 0.1 0.3 та 0.31 0.65; 0.46 0.64 та 0.65 0.82.

Як показує статистична обробка даних, крок періодичних осідань важкообвалюваних покрівель у лаві ( та ) має тісний зв’язок з вищевказаними критеріями по наведених відповідних залежностях:

, м, (3) , м. (4)

Кореляційне відношення та коефіцієнт надійності зв’язків (3, 4) відповідно 0.86 та 25; 0.82 та 21.2. На підставі статистичної обробки шахтних спостережень установлено також, що збільшення кута зустрічі між лінією очисного вибою і лінією простягання площини основної природної тріщинуватості порід на 1о дає прирощення кроку періодичних осідань важкообвалюваної покрівлі в залежності від його величини на 0.12 0.37 м.

Інтенсивність зміщень порід навколо підготовчих виробок, які сполучені з лавою, істотно залежить від зміни швидкості її посування. Натурними спостереженнями встановлено, що різкі перепади швидкості посування лави у межах 1.7 12.6 м / доб. зумовлюють різну динаміку обвалювання покрівлі у виробленому просторі, яка має істотний вплив на динаміку зміщення контуру підготовчої виробки у випереджаючій лаву зоні опорного тиску. З урахуванням добового прискорення посування лави і прискорення зміщень порід у вказаній зоні за певний період часу одним і тим же умовним кутовим знакозмінним параметром отримана оцінка характеру і ступеня впливу швидкості посування лави на активність зміщення порід у прилягаючій до неї виробці. При змінному у максимальних межах вказаному параметрі від 1.55 до + 1.55 рад., коли швидкість посування лави коливається у межах 1.7 12.6 м / доб., середня кутова величина неузгодженості процесів, які розглядаються, становить 0.75 рад. за частості різних знаків параметра 0.53, коли 2.0 7.5м/доб. відповідно +0.16 рад. і 0.21. Це свідчить про те, що за великої швидкості посування лави вплив її на інтенсивність зміщення порід у виробці неоднозначний.

За узгодженого режиму динаміки зміщення порід у підготовчій виробці і посування лінії очисного вибою (однакові знаки параметра) із збільшенням або зменшенням швидкості посування лави швидкість зміщень порід у підготовчій виробці попереду лави відповідно зменшується або зростає, за неузгодженого (знаки різні) навпаки. Величина кутової неузгодженості цих режимів відображає інтенсивність цього заниження або зростання. При великих швидкостях посування очисного вибою та їх перепадах, що викликають гранично неузгоджений режим, охорона виробок штучними захисними опорами через високу інтенсивність зміщення відслонених лавою бокових порід недоцільна як з технічної, так і з економічної точки зору.

Для установлення закономірностей зміщень бокових порід на кінцевих ділянках лави, де відбувається спорудження охоронних опор, а також впливу основних чинників на їх величину, проведені шахтні інструментальні вимірювання за допомогою стояка СУВ-ІІ у 26 лавах за різних умов. При цьому здійснювалось порівняння величин зміщення бокових порід у середній частині лави і її кінцевій ділянці на відстані від прилягаючої до неї підготовчої виробки 1.5 3 м. За пересічними фактичними даними величина зближення бокових порід на вищевказаній ділянці становить

, мм; =, (5)

де опусканння покрівлі у середній частині лави (мм) на межі з виробленим простором за ширини привибійного простору (м); та ширина привибійної частини відповідно кінцевої ділянки та ніші (м); ,, коефіцієнти, які враховують відповідно форму сполучення лави у площині пласта, спосіб охорони виробки і схему підривання бокових порід; відношення опору кріплення на кінцевій ділянці лави до опору на решті її частин.

У залежності від поєднання і ступеня впливу вищевказаних чинників на момент спорудження захисних опор зміщення бокових порід на кінцевій ділянці лави можуть бути за величиною меншими, однаковими або більшими, ніж у середній її частині. Аналіз отриманих результатів показав, що для зменшення зміщень порід у місцях спорудження захисних опор з метою підвищення ефективності їх функції як різальної опори необхідне в основному підвищення опору кріплення сполучення, а також застосування менш податливих охоронних споруд за безнішового виймання і повного підривання порід підошви.

Для виявлення зміни опускання покрівлі по всій площі кінцевих ділянок лави проведені шахтні вимірювання її нахилу за допомогою нівеліра НШТ1 та вимірювального стояка СУВІІ. На підставі цього установлено, що ізолінії зміщень покрівлі на кінцевій ділянці лави віддаляються від лінії очисного вибою по кривій, близькій до кола з центром, розташованим приблизно на бісектрисі кута між лініями очисного вибою та кромкою бокового вугільного масиву. Ці спостереження дозволили виявити характер зміни зміщень зависаючих порід покрівлі над кутовою частиною підтримуваного і виробленого просторів, утворених кромкою вугільного масиву та лінією очисного вибою, які перетинаються, що сприяло обгрунтуванню механізму впливу зависаючих порід покрівлі на їх взаємодію з охоронними опорами.

Для визначення характеру зміни навантаження на захисні опори, які споруджені на кінцевій ділянці лави, проводились її шахтні інструментальні вимірювання динамометрами типу 50Д 180 та КД 50. На підставі результатів цих досліджень за різних умов відпрацювання пластів визначено, що навантаження на ці захисні опори після їх установки зростає з відходом лави на 30 80 м , а також при віддаленні захисних опор від кромки бокового вугільного масиву у бік виробленого простору. Згодом відбувається зниження величини цього навантаження в 1.1 1.8 раза до деякої постійної величини за рахунок перерозподілу напружень і деформацій порід навколо підготовчої виробки у часі.

Оскільки стійкість пластової підготовчої виробки, яка охороняється за схемою “захисні опори вугільний масив”, залежить також у часі від стану останнього на кромці, включаючи і бокові породи навколо нього, проведені шахтні інструментальні спостереження за зближенням цих порід у 36 остаточно зупинених лавах за різних умов (коефіцієнти міцності порід покрівлі та вугілля відповідно 4 10 і 1.2 2.4, виймана потужність пласта 0.5 1.8 м, глибина розробки 200 850 м). Періоди спостереження становили від 20 до 50 діб.

Як показала статистична обробка отриманих даних, зближення бокових порід на кромці вугільного масиву у часі () змінюється за нижченаведеною залежністю:

, мм, (6)

де зближення порід покрівлі та підошви через одну добу з моменту їх відслонення, мм; час, доб. Кореляційне відношення зв’язку (6) 0.94. Характерно, що ранг впливу вищевказаних чинників на ці зближення з часом змінюється. Після 20 діб основними з них є глибина розробки та виймана потужність пласта. Приблизно через один рік слід чекати на глибині до 850 м втрату висоти очисної виробки біля її вибою 173 567 мм, що у цьому діапазоні вийманої потужності пласта становить близько 1/3 її величини. При цьому спостерігається екстенсивне відтискання та вивалоутворення вугілля.

Проведені натурні спостереження, які відбивають реальні особливості проявів гірського тиску у лаві і сполученій з нею підготовчій виробці, покладені в основу розвитку концепції взаємодії охоронних елементів з боковими породами під впливом очисних робіт.

У третьому розділі роботи подаються обгрунтування моделі взаємодії бокових порід з охоронними опорами та визначення аналітичним і натурним шляхом її основних параметрів. Як аналітична модель використана залежність Г.Г.Литвинського, оскільки вона відображає закономірність розподілу нормальних напружень () на рівні розроблюваного лавою пласта як стосовно осі х, перпендикулярної лінії очисного вибою (вісь y), так і у виробленому просторі (від’ємна частина осі x), від величини граничного прольоту зависання покрівлі (Lxy) над цим простором:

, (7)

де геостатичний вертикальний тиск у незайманому гірському масиві.

Виходячи з повної відповідності розрахункової схеми, на підставі якої отримана залежність (7), аналогічній схемі визначення нормальних напружень () щодо кромки бокового вугільного масиву по довжині підготовчої виробки, що збігається з віссю , маємо:

, (8)

де абсолютна величина граничного прольоту зависання покрівлі по осі щодо кромки бокового вугільного масиву (від’ємна частина осі також розташована у межах виробленого простору).

Проліт граничного зависання покрівлі, куди входить також і крок її періодичних обвалень, змінюється у часі і є основним інтегральним параметром, який визначає навантаження як на природну (приконтурну частину бокового вугільного масиву), так і на штучні (охоронні споруди) опори. Зависання порід важкообвалюваних покрівель дає найбільшу частину прирощення напружень у зоні опорного тиску, оскільки величина кроку їх періодичних обвалень, як правило, більша ніж довжина підтримуваної над виробленим простором породної консолі, яка спирається з одного боку на кромку вугільного масиву, з другого на зведені охоронні споруди. На підставі прийнятої моделі навантаження на останні має два основні складники: вагу порід покрівлі навколо підтримуваної виробки на висоту, яка дорівнює висоті їх руйнування у виробленому просторі, та частину тиску шарів покрівлі, що знаходяться вище і прогинаються, і ця частина не компенсована реакцією і жорсткістю кромки вугільного масиву. По суті це узгоджується з натурними проявами гірського тиску в очисній і сполученій з нею підготовчій виробках, раніш установленими інструментальними спостереженнями. Із збільшенням ширини зони природного розвантаження приконтурної частини вугільного масиву до деякої постійної величини проліт зависаючих порід покрівлі зменшується одночасно із зниженням максимуму опорного тиску при його віддаленні вглиб цього масиву.

Для використання формули (8) з практичною метою слід визначити значення ряду вихідних параметрів, що характеризують зональні зміни напружено-деформованого стану бокових порід і пласта навколо приконтурної частини вугільного масиву, сполученого з підготовчою виробкою і такого, що підлягає впливу очисних робіт.

Після інтегрування рівняння (8) отримана формула (9) для визначення нормальних напружень порід на рівні пласта у будь-якому інтервалі їх низхідної гілки опорної зони при ( ширина зони бокового опорного тиску, віддалення його максимального значення від кромки бокового вугільного масиву):

,кН/м2 . (9)

Внаслідок математичних перетворень з використанням формули (8), якщо припустити, як це і передбачено залежністю (7), що у межах змінюється за прямолінійною залежністю, можна отримати рівняння для визначення очікуваної максимальної величини коефіцієнта концентрації напружень в опірній зоні бокового вугільного масиву.

, (10)

де ширина зони штучного розвантаження вугільного масиву під впливом очисних робіт, м.

Мінімальна величина прольоту зависання покрівлі становить суму абсолютних величин ширини підтримуваних над підготовчою виробкою і в межах її охоронної смуги ділянок покрівлі, включаючи і довжину консолі її залишкового зависання, а також ширину зони відтискання вугільного пласта.

За даними шахтних фотограмметричних спостережень за зміною щільності техногенних тріщин у породах покрівлі висотою 2 м при проведенні пластової підготовчої виробки на різному її віддаленні від кромки вугільного масиву в умовах глибокої антрацитової шахти установлено, що =14 м (приблизно 10кратна вийманій потужності пласта) за глибини повного відтискання вугілля =2 м (близько 1.3 потужності пласта). На підставі статистичної обробки цих спостережень установлено, що щільність цієї тріщинуватості з віддаленням углиб вугільного масиву в межах зменшується за експоненційною залежністю (ІІ), котра найбільш близька до фактичних даних:

,м-1 . (11)

При цьому щільність тріщинуватості порід покрівлі, починаючи від межі зони відтискання пласта, вглиб масиву падає від 22 до 2 тріщин на 1 м.

У таких же умовах за результатами шахтних вимірювань вертикальних зміщень порід уздовж підготовчої виробки, пройденої у виробленому просторі перпендикулярно контуру бокового вугільного масиву, установлено, що ці зміщення при вийманні останнього лавою затухають на відстані від указаного контуру 100 150 м. Отримана величина для тих умов, що розглядаються, становить ширину установленої зони незімкнення порід покрівлі та підошви у вибраному просторі, де на рівні пласта менше вихідного у незайманому масиві.

Грунтуючись на виявлених у шахтних умовах особливостях проявів гірського тиску за періодичних осідань покрівлі, а також характері розподілу зміщень порід покрівлі на кінцевій ділянці лави, з урахуванням прийнятої моделі взаємодії бокових порід з охоронними опорами аналітичним шляхом установлена залежність для визначення додаткового привантаження на 1 м довжини захисних опор, викликаного впливом цих осідань. Найбільш близько ця залежність апроксимується нижче поданою безперервною періодичною функцією:

, кН/м, (12)

де середньозважена об’ємна щільність порід шарів важкообвалюваної покрівлі (кН/м3) потужністю (м); Х абсолютна величина віддалення від лави, м; крок періодичних осідань покрівлі, ( довжина кінцевої ділянки лави, м); та коефіцієнти, які враховують повторювані привантаження у фіксованому місці по довжині виробки, що охороняється (табл. 1).

Таблиця 1

Коефіцієнт | Величина К

1 | 1.2 | 1.4 | 1.6

0.293 | 0.267 | 0.246 | 0.223

0 | 0.014 | 0.042 | 0.141

Повторювані привантаження на захисні опори слід очікувати при наступних періодичних осіданнях важкообвалюваної покрівлі з кроком понад 20 м, коли > 1.2.

Спираючись на прийняту інтерпретацію формування навантаження на охоронні опори під впливом очисних робіт, а також використовуючи статистичні дані за результатами шахтних вимірювань цих навантажень на захисні опори з БЗБТ у 126 підготовчих виробках шахт Донбасу, отримали емпіричну залежність, яка відображає сукупний вплив основних чинників на максимальну величину цього навантаження на 1 м довжини підготовчої виробки без впливу періодичних осідань важкообвалюваної покрівлі.

, кН/м , (13)

де та ширина відповідно неперекритої захисною опорою частини породного уступу, включаючи консоль зависаючих порід безпосередньої покрівлі, і самої захисної опори; і відповідно об’ємна щільність (кН/м3), середньозважений коефіцієнт міцності обвалюваних порід (безпосередньої і основної) покрівлі; виймана потужність пласта; критерій обвалюваності покрівлі; глибина розробки, м; ширина виробки, що охороняється, начорно, м. Величина навантаження не повинна перевищувати граничного опору різальної охоронної опори обмеженої податливості, якою є ряд з БЗБТ. Експериментально встановлено, що величина податливості захисної опори повинна становити 0.15.

Несуча здатність вузької охоронної смуги залежить також від стійкості породного уступу, утвореного підривкою порід, які вміщають вугільний пласт. На підставі усереднених статистичних даних, отриманих у натурних умовах, допустима ширина цього уступу

, м, (14)

де коефіцієнт міцності порід уступу висотою ; коефіцієнт бокового розпору порід, що дорівнює 0.4 0.8; та коефіцієнти, які враховують втрату міцності породного уступу за рахунок відповідно щільності природної тріщинуватості і напряму її простягання стосовно поздовжньої осі виробки, котрі змінюються у межах 0.5 1; коефіцієнт затухання напружень з віддаленням від опори в покрівлю або підошву, який змінюється від 0.8 до 0.1 на відстані відповідно від 0.4 до 2.8 м. Формули (12, 13, 14) рекомендовані до використання для розрахунку параметрів паспортів охорони виїмкових виробок із застосуванням захисних опор.

Згідно з прийнятою розрахунковою схемою формування навантаження на охоронні опори у різні періоди інтенсивності зміщення бокових порід очікуване залишкове навантаження на захисні опори після затухання цих зміщень без урахування сил опору по площині зсування порід, коли висота склепіння обвалених порід середньої об’ємної щільності , дорівнює сумарній потужності безпосередньої і основної покрівель ,

, кН/м, (15)

де і ширина відповідно виробки начорно та охоронної