НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОТЕХНІЧНОЇ МЕХАНІКИ ім. М.С. ПОЛЯКОВА

ЧЕРВАТЮК Віктор Григорович

УДК 622.831.3

ГЕОМЕХАНІЧНЕ ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ І РОЗРОБКА

КОМБІНОВАНОГО СПОСОБУ ТА ЗАСОБІВ ПІДДЕРЖАННЯ

ПОКРІВЛІ НА СПОЛУЧЕННЯХ ШТРЕК-ЛАВА В УМОВАХ НЕСТІЙКИХ ПОРІД

05.15.11 – “Фізичні процеси гірничого виробництва”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова

Національної академії наук України (ІГТМ НАН України),

м. Дніпропетровськ.

Науковий керівник - доктор технічних наук Скіпочка Сергій Іванович, ІГТМ НАН України, провідний науковий співробітник.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Четверик Михайло Сергійович,

ІГТМ НАН України, завідуючий відділу, м. Дніпропетровськ;

кандидат технічних наук Ревва Володимир Миколайович,

Інститут фізики гірничих процесів НАН України, учений секретар

інституту, м. Донецьк.

Провідна установа – Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, кафедра підземної розробки родовищ,

м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться " 5 "грудня 2003 р. о 13.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.188.01 при Інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2-а, факс (0562) 46-24-26.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ІГТМ НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2-а

Автореферат розісланий "29" жовтня 2003 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук Перепелиця В.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми.

Збільшення видобутку вугілля - головної енергетичної сировини України, неможливе без підвищення продуктивності праці у вугільній галузі, що, у першу чергу, визначається рівнем механізації виробничих процесів. Незважаючи на відносно високий ступінь механізації процесів видобутку вугілля з комплексно-механізованих лав, рівень важкої ручної праці на сполученнях "штрек-лава" залишається досить високим. Трудомісткість робіт на сполученнях досягає 50 %, а тривалість виконання операцій, які пов'язані із заходами щодо охорони сполучень, складає 20-25 % від загальної на видобувній ділянці. Крім того, сполучення лав з виймальними штреками є найбільш травмонебезпечними зонами ділянки очисних робіт. Більш 50 % нещасних випадків, що не пов'язані з викидами і вибухами метану, відбуваються саме на сполученнях "штрек-лава", причому переважна більшість від обвалення покрівлі.

Промисловими підприємствами України виробляється ряд кріплень, що дозволяють механізувати процес піддержування покрівлі на сполученнях штрек-лава і забезпечити безпеку роботи шахтарів. Однак характеристики цих кріплень адаптовані винятково до гірничо-геологічних і технологічних умов роботи шахт Центрального і Східного районів Донбасу. Спроби ж їхнього застосування в одному з основних районів видобутку енергетичного вугілля - Західному Донбасі - не дали позитивних результатів. Причина цього полягає в тому, що кріплення сполучень (КС), які випускаються, призначені для роботи у виробках прямокутного і трапецовидного перетинів. Крім того, їхні силові характеристики не відповідають умовам роботи в породах III-ої і IV-ої категорій стійкості, зокрема особливостям геомеханіки масиву нестійких порід.

Тому геомеханічне обґрунтування параметрів, розробка способу і механізованих засобів, що забезпечують ефективне піддержання покрівлі на сполученнях штрек-лава в умовах нестійких порід, є актуальною науково-прикладною задачею, що має важливе значення для вуглевидобувної галузі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами.

Дисертаційна робота виконана відповідно до теми: “Розробити технологію застосування і випробувати кріплення сполучення на базі гідрофікованого стола” (ІГТМ НАН України), а також держбюджетних тем №1.3.5.47 “Наукові основи геофізичного моніторингу і керування геомеханічними процесами з врахуванням синергетичних ефектів породних масивів для підвищення безпеки експлуатації підземних споруд” № ДР 0199U001752 та “Механіка гірських порід, техніка і технології безпечного видобутку вугілля високонавантаженими лавами” № ДР 0102U006162.

Мета і задачі досліджень.

Мета роботи: виконати геомеханічне обґрунтування параметрів, розро-бити спосіб і механізовані засоби, що забезпечують ефективне піддержання покрівлі на сполученнях лав з виймальними штреками в умовах нестійких порід.

Ідея роботи полягає у використанні встановлених векторно-силових характеристик проявлення гірського тиску при обгрунтуванні параметрів способу і конструкцій засобів піддержання покрівлі на сполученнях штрек-лава в умовах нестійких порід.

Для досягнення поставленої мети в дисертації сформульовані наступні задачі:

- розробити методику експериментальних досліджень і математичну модель поводження геотехнологічної системи “вуглепородний масив – сполучення штреку з лавою – охоронні конструкції”;

- встановити особливості формування напружено-деформованого стану в масиві нестійких порід поблизу сполучень штрек-лава;

- обґрунтувати, з погляду геомеханіки і технології видобутку, параметри способу і засобів охорони сполучень лав з виймальними штреками для умов нестійких порід;

- розробити спосіб і механізовані засоби, що забезпечують надійне піддержання покрівлі на сполученнях лав з виймальними штреками в умовах нестійких порід.

Об'єкт досліджень - масив нестійких гірських порід, порушений сполученням "штрек-лава".

Предмет досліджень – геомеханічні процеси у вуглепородному масиві, способи і засоби піддержання покрівлі на сполученнях лав з виймальними штреками.

Методи досліджень. У роботі використані методи аналізу й узагальнення відомих розробок у даній області науки і техніки; теоретичні дослідження, що базуються на теорії пружності і механіці деформівного тіла, із застосуванням комп'ютерного моделювання (обчислювального експерименту); лабораторні і шахтні експериментальні дослідження механічними та геофізичними методами із застосуванням промислових і дослідних зразків апаратури.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному.

1. Подальший розвиток отримали уявлення про закономірності формування напружено-деформованого стану в масиві нестійких порід поблизу сполучень лав з виймальними штреками.

2. Вперше розроблена і реалізована у вигляді обчислювального експерименту тривимірна математична модель поведінки шаруватого вуглепородного масиву, порушеного сполученням штрек-лава, у пружно-пластичній постановці задачі.

3. Запропоновано новий кількісний критерій оцінки ефективності використання способів і засобів охорони сполучень штрек-лава в нестійких породах неглибоких шахт.

4. Вперше розроблені геомеханічно обґрунтовані спосіб і механізовані засоби, що забезпечують ефективне піддержання покрівлі на сполученнях штрек-лава в умовах нестійких порід.

На захист виносяться наступні наукові положення.

1. Тиск на штрекове кріплення поблизу сполучення з лавою в умовах шахт Західного району Донбасу визначається, в основному, масою зони розшарованих порід покрівлі, розміри якої складають 3,5-4,0 м у ціликовій частині і 5,5-6,0 м у штреку, закладеному паралельно відпрацьованому стовпу, і частково привантаженням (з коефіцієнтом близько 2,0), що провокується зоною опорного тиску лави, яка рухається.

2. Ефективне піддержання покрівлі на сполученнях штрек-лава в умовах нестійких порід забезпечується застосуванням двохрамного механізованого кріплення із сумарним опором не менш 1500 кН, довжиною великої і малої рам не менш 8 м і 4 м, відповідно, оптимальною відстанню між рамами – 0,5 м, менша з яких повинна максимально близько розташовуватися до боку штреку зі сторони діючої лави або, при розміщенні в центрі виробки, мати напрямок прикладення зусилля під кутом 55-65 градусів до лави.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Розроблено і впроваджено спосіб ефективної охорони сполучень лава-штрек для умов нестійких порід.

2. Розроблені, виготовлені і впроваджені механізовані засоби, що знижують трудомісткість операцій і забезпечують надійне піддержання покрівлі на сполученнях лав з виймальними штреками.

3. Розроблені і впроваджені нормативно-технічні документи, які регламентують вибір складу устаткування та порядок технологічних операцій для ефективного піддержання покрівлі на сполученнях лава-штрек в нестійких породах.

Результати дисертаційної роботи:

впроваджені шляхом включення складовою частиною до нормативно-технічних документів: “Вихідні вимоги до конструкції і параметрів механізованого кріплення для лавових і штрекових зон сполучень” (Держвуглепром України, 1992), "Методика геофізичного контролю і діагностики стану масиву гірських порід поблизу сполучень лав з виймальними штреками" (ІГТМ НАНУ, ДХК "Павлоградвугілля", 1997), Технічне завдання "Кріплення сполучення лави зі штреком" (Мінвуглепром України, 1998), "Тимчасовий технологічний регламент заходів по охороні сполучень штрек-лава з використанням механізованих засобів кріплення на шахтах ДХК "Павлоградвугілля" (ДХК "Павлоградвугілля", ІГТМ НАНУ, 1998), " Тимчасовий технологічний регламент вибору складу устаткування, параметрів і режимів експлуатації технічних засобів для кріплення сполучень лав і пластових штреків опорно-анкерним кріпленням в умовах шахт Західного Донбасу" (Мінтопенерго України, 2001);

випробувані і в період з 1998 по 2002 р.р. впроваджені на шахтах “Благодатна”, “Павлоградська”, “Тернівська” і ім. Сташкова ДХК "Павлоградвугілля" в обсязі 67 сполучень лава-штрек з сумарним фактичним економічним ефектом 727 тис. грн.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульовані мета і задачі досліджень, ідея роботи, її основні наукові положення, висновки і рекомендації, програма лабораторних і натурних експериментів, розроблена методика і проаналізовані результати досліджень, вибрано метод аналітичних досліджень. Автор брав безпосередню участь у розробці і модернізації технічних засобів для проведення натурних досліджень, виконанні теоретичних і експериментальних робіт, розробці нормативно-технічних документів, впровадженні результатів досліджень у виробництво. Зміст дисертації викладено автором самостійно.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на 1-й Міжнародній конференції "Геотехнічна механіка освоєння надр" (Дніпропетровськ, 1998), Міжнародній науково-практичній конференції "ХХІ сторіччя - проблеми і перспективи освоєння родовищ корисних копалин" (Дніпропетровськ, 1998), науковому симпозіумі "Тиждень гірника - 2000" (Москва, 2000), Міжнародному симпозіумі "Геотехнологічні і екологічні проблеми освоєння підземних просторів GIUS-2001" (Дніпропетровськ, 2001), науково-технічних нарадах ДХК "Павлоградвугілля" і наукових семінарах ІГТМ НАН України.

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано у 9 роботах, з яких 1 монографія і 8 робіт у спеціалізованих наукових виданнях, у тому числі 4 самостійних.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 114 найменувань, містить 162 сторінки машинописного тексту, у тому числі 36 рисунків, 9 таблиць, 16 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Аналіз стану питання охорони гірських виробок у вугільних шахтах показав, що ефективне піддержання покрівлі на сполученнях лав з виймальними штреками в умовах Західного району Донбасу можна забезпечити тільки при використанні комбінованих способів і засобів піддержання покрівлі в штрековій і лавовій частинах сполучення, параметри яких повинні випливати з результатів визначення особливостей формування напружено-деформованого стану в масиві нестійких порід.

Основні наукові досягнення, які пов'язані зі створенням інструментальних методів і вивченням геомеханіки масиву гірських порід, теоретичним описом процесів, що протікають у системі “масив-гірські виробки”, розробкою способів і засобів охорони виробок, були отримані в різний час у МДГУ, ІГС ім. Скочинського, ВНДМІ, ІГТМ НАНУ, НГУ, ДонВУГІ, КНДВІ, ІГС СВ РАН, С-Пб.ДГУ, ДонНТУ, ІФГП НАНУ, ІПКОН РАН і інших установах, в тому числі далекого зарубіжжя. Праці вчених цих інститутів створили фундамент уявлень про геомеханічні процеси, що протікають у породному масиві, і базу для розробки способів і засобів охорони гірських виробок. Однак, широкий спектр властивостей гірських порід і технологій видобутку корисних копалин, найвища складність системи “анізотропний масив-гірські виробки” вимагають уточнення характеру формування напружено-деформованого стану з урахуванням особливостей структури масиву, фізико-механічних властивостей порід, що складають його, глибини закладення і конфігурації виробок. До числа найбільш складних відноситься недостатньо вивчена геомеханічна система “масив нестійких порід - сполучення лави з виймальним штреком - охоронні конструкції”. Тому обґрунтуванню параметрів і розробці способу і засобів, що забезпечують ефективне піддержання покрівлі на сполученні штрек-лава, повинні обов'язково передувати дослідження геомеханіки вуглепородного масиву в зонах сполучень.

Найбільш повну і точну інформацію про стан масиву можна одержати за допомогою комплексу експериментальних методів, що включають механічні і геофізичні виміри, які розроблені і модернізовані завдяки роботам науковців МДГУ, ІГТМ НАНУ, УкрНДМІ НАНУ, ІГС ім. Скочинського, ВНДМІ, ІФЗ ім. Шмідта, УрГГА, інших інститутів.

Останнім часом, завдяки швидкому розвитку обчислювальної техніки, для вивчення геомеханічних процесів у складних системах широко застосовується математичне моделювання з розв’язанням задачі чисельними методами. При цьому найбільш оптимальним є побудова моделі на базі фундаментальних і окремих апробованих положень механіки гірських порід, вихідні дані і граничні умови до якої включають результати шахтних інструментальних спостережень. А швидкодія і обсяг пам'яті сучасних комп'ютерів, які забезпечують широке варіювання параметрами геомеханічної системи, дозволяють виконати, свого роду, обчислювальний експеримент.

Досягнення сформульованої на основі аналізу стану питання мети роботи і вирішення поставлених задач у дисертації виконані за традиційною схемою наукових досліджень: лабораторний і шахтний експеримент > математичне моделювання геомеханічних процесів у системі “масив-сполучення” > обґрунтування параметрів > розробка способу і засобів охорони сполучень штрек-лава > випробування і впровадження результатів у виробництво.

На перших двох етапах була розроблена методика експериментальних досліджень і математична модель поводження геотехнологічної системи “вуглепородний масив – сполучення штреку з лавою – охоронні конструкції”, за допомогою яких встановлені особливості формування напружено-деформованого стану в масиві нестійких порід поблизу сполучень лав з виймальними штреками. Виконане обґрунтування принципів контролю геомеханічних процесів у системі “масив-сполучення-охоронні конструкції” дозволило визначити раціональний комплекс методів, необхідних і достатніх для отримання потрібної інформації. Комплекс включає: методи ультразвукового (УЗ) каротажу і міжсвердловинного прозвучування, які дозволяють оцінити техногенну тріщинуватість масиву, пов'язану з формуванням напружено-деформованих зон поблизу сполучення; метод ударно-хвильової діагностики, який дозволяє встановити динаміку тиску на кріплення штреку; метод виміру конвергенції бокових порід штреку, що доповнює інформацію, отриману геофізичними методами.

Для реалізації УЗ методу в шахтних умовах був модернізований дефектоскоп УК-14П і доукомплектований спеціальними свердловинними датчиками, які розроблені на базі конструкції сейсмоприймачів із пневматичним притиском від апаратури MDGВ фірми “Prakla–Seismos GMbН”. Ударно-хвильова діагностика стану системи “кріплення-массив” була виконана за методикою і за допомогою приладу “АВКІ”, розроблених раніше в ІГТМ НАНУ. Для вивчення геомеханічних процесів на шахтах “Павлоградська” і ім. Героїв Космосу було обладнано кілька спостережних станцій, що охоплюють усі можливі варіанти геологічних умов і технологій відпрацьовування вугільних пластів в шахтах Західного району Донбасу. Методика шахтних експериментальних досліджень включала наступні операції:

–

–

–

Основні отримані результати експериментальних досліджень зводяться до наступного:

–

–

–

–

–

Отримані результати дозволили зробити висновок, що максимально наближена до реальних умов математична модель обчислювального експерименту по вивченню поведінки геомеханічної системи на сполученні штреку з лавою повинна базуватися на наступних положеннях:

–

–

В дисертації на базі нелінійної просторової задачі механіки гірських порід одержав розвиток підхід до моделювання геомеханічних процесів, що протікають у вуглепородному масиві поблизу сполучення штрек-лава. Запропонована математична модель враховує природну і наведену структурну неоднорідність приконтурних порід. Як розрахункова схема взаємодії кріплення і породного масиву використовується континуальна модель, відповідно до якої породний масив моделюється суцільним шаруватим середовищем з вирізами, а механізоване кріплення в очисному вибої і кріплення сполучення – суцільним середовищем, жорсткістні і міцністні характеристики якої еквівалентні відповідним характеристикам реальних охоронних конструкцій. Напружено-деформований стан гірських порід і елементів охоронних конструкцій описували співвідношеннями деформаційної теорії пластичності, яка базується на наступних гіпотезах:

–

, (1)

–

, (2)

–

, (3)

причому

. (4)

Тут функція Ц(еi) описує криву деформування порід у координатах “ ”. У нашому випадку прийнята білінійна діаграма деформування.

Схема моделі наведена на рис. 1.

Розрахункова область Щ породного масиву мала форму прямокутного паралелепіпеда і була обмежена площинами:

х1 = -15,0 м, +40,0 м; х2 = -12,0 м, +32,0 м; х3 = -33,6 м, +72,8 м.

Розміри області Щ, що складається з 44-х породних шарів завтовшки 1 м, вибирали з міркувань коректності формулювання граничних умов. На верхній грані області Щ задавали граничні умови, що враховують вагу лежачих вище порід:

, (5)

де - нормальна і дотична складові вектора напружень; г – середня об'ємна вага лежачих вище порід; H – відстань від межі області Щ до денної поверхні.

На інших гранях задавали граничні умови:

, (6)

де Un - нормальна складова вектора переміщень.

Граничні умови на контурі штреку:

Рис. 1. Схема до математичної моделі

1 – виймальний штрек; 2 – штрекове кріплення; 3 – кріплення сполучення;

4 – охоронна смуга; 5 – лава і лавове кріплення

, (7)

де q – питома величина реакції кріплення.

На поверхні розділу породних шарів задавали умови повного зчеплення n-го (один штрих) і (n+1)-го (два штрихи) шарів:

. (8)

Компоненти початкових напружень визначали відповідно до гіпотези О.М. Дінника. В цілому вирішення задачі звелося до визначення полів переміщень, деформацій і напружень, що задовольняють в області Щ рівнянням рівноваги, співвідношенням Коші, а також виразам (1)-(8).

Для чисельного розв’язання задачі в роботі використано метод кінцевих елементів. Розроблений обчислювальний алгоритм реалізовано у виді пакета об?єктно-орієнтованих ФОРТРАН-програм для персональних комп'ютерів класу “Pentium”. При проведенні розрахунків кінцево-елементна модель була побудована з 36239 вузлів і 68550 елементів у виді трикутної призми. Максимальний розмір поперечного переріза елемента склав 4 м (у зоні завалених порід), середній розмір – 1 м, а мінімальний – 0,2 м (поблизу сполучення). Максимальний крок кінцево-елементної сітки уздовж горизонтальної осі штреку склав 8 м, а мінімальний – 0,8 м (поблизу сполучення).

Виходячи з даних експериментальних досліджень, за критеріальний параметр кількісної оцінки ефективності використання різних варіантів охорони сполучень штрек-лава в моделі прийнято величину погонної (на одиницю довжини штреку) маси розшарованих порід покрівлі. При виконанні обчислювального експерименту моделювали поведінку наступної системи: шаруватий масив (потужність шарів 1 м) із середньою густиною порід (аргілітів, алевролітів і пісковиків) 2300 кг/м3 і вугілля марки ДГ густиною 1300 кг/м3 , порушений сполученням штрек-лава на глибині 265 м. При цьому штрек був закріплений арковим податливим кріпленням опором 0,15 МН із кроком установки – 0,8 м, лава обладнана механізованим кріпленням з виносом голівки приводів устаткування на штрек, а лавова частина за комплексом охоронялася шляхом викладення на відстані 1 м від штреку смуги шириною 2 м з матеріалу міцністю 5-6 МПа. Безпосередньо сполучення штрек-лава підтримувалося двохрамним механізованим кріпленням сполучення (КС). Для оптимізації параметрів способу і засобів охорони сполучень варіювали: опором КС, його положенням щодо вертикальної осі штреку, відстанню між рамами КС. У результаті моделювання встановлено наступне:

- зона впливу сполучення і способів його охорони на стан порід штреку розташована в інтервалі між відмітками +4 ? -7 м, якщо за нульову відмітку прийняти куток сполучення;

- поза цією зоною кріплення сполучення не істотно впливає на величину конвергенції порід штреку;

- у покрівлі штреку утворюється зона розтяжних напружень, які призводять до локального розшарування й обвалення порід, тому параметри способів і засобів охорони сполучень повинні задовольняти, в основному, вимогам запобігання процесів вивалоутворення;

- зміна положення КС щодо вертикальної осі штреку (параметр В?), у можливому діапазоні варіацій, призводить до коливань погонної маси розшарованих порід (параметр М) в інтервалі 7?18 т/м, причому мінімум М відповідає значенню В?=1 м (у бік діючої лави);

- збільшення опору рами КС з 0,4 до 1,2 МН не істотно впливає на величину параметра М, при цьому оптимальне значення опору складає 0,8 МН;

- зміна відстані між рамами КС (параметр А), у можливому діапазоні варіювання, призводить до зміни параметра М на 50-300 %, при цьому мінімальному значенню М відповідає А=0,5 м.

На базі отриманих результатів теоретичних і експериментальних досліджень виконано геомеханічне і технологічне обґрунтування параметрів способу і засобів охорони сполучень лав з виймальними штреками для умов нестійких порід. Отримані уявлення про геомеханічні процеси дозволяють стверджувати, що в умовах слабких нестійких порід, які характерні для шахт Західного району Донбасу, ефективна охорона сполучень лав з виймальними штреками можлива тільки при використанні комбінованого способу піддержання покрівлі. Спосіб включає: механізоване кріплення сполучень у штрековій частині; зведення охоронних конструкцій у лавовій зоні сполучення; керування довжиною породних консолей, що зависають над штреком і сполученням, наприклад шляхом спрямованого вибуху закладених у покрівлі зарядів; зміцнення покрівлі з використанням анкерного й анкерно-стяжного кріплення; застосування механізованого кріплення сполучення в його лавовій зоні.

Обґрунтування параметрів способу охорони сполучень виконано для наступних умов: технологічна схема відпрацьовування пластів – довгими стовпами по падінню, підняттю чи простяганню пластів; спосіб охорони штреку – застосування випереджального і відстаючого від вибою лави кріплення посилення, а також охоронних конструкцій на сполученнях; вид проходки штреку – комбайновий; вид кріплення штреку – металеве аркове із сітчастими чи іншими міжрамними перекриттями і кроком установки арок по довжині штреку – 0,8-1,0 м; швидкість посування лави не менш 2,4 м/добу; потужність пласта - 1,0-1,15 м; глибина розробки до 500 м; кут падіння пласта 2-50; тип порід покрівлі по стійкості – нестійкі; підошва – схильна до здимання.

У роботі виконано обґрунтування тривалості технологічного циклу кріплення сполучень, часу виконання основних операцій і їхня черговість. Показано, що час роботи КС у стаціонарному режимі складає близько 20 годин. З врахуванням мінімізації процесів розшарувань у покрівлі запропоновано наступний порядок пересувань секцій кріплення: бермової – відразу за переміщенням очисного комбайна; довгої рами механізованої КС – відразу після в'їзду комбайна в лаву; короткої рами – відразу після пересування довгої. При цьому кінцеві операції повинні виконуватися раніше операцій по кріпленню покрівлі в штреку і бермовій частини лави.

Результати досліджень знайшли втілення в способі і механізованих засобах, що забезпечують ефективне піддержання покрівлі на сполученнях лав з виймальними штреками в умовах нестійких порід. Схема способу і розташування засобів охорони сполучень штрек-лава наведені на рис. 2.

Рис. 2. Схема розташування обладнання при реалізації комбінованого способу охорони сполучення лава-штрек

1 – механізоване кріплення сполучення, 2 – нішенарізний комбайн, 3 – секція лавового кріплення, 4 – охоронна смуга, 5 – шпури для БВР,

6 – засоби кріплення ніші

Для підвищення ефективності піддержання покрівлі в способі охорони передбачене використання в зоні максимальних напружень (куток сполучення) бермового кріплення, що забезпечує посилення кріплення сполучення. Обов'язковою умовою реалізації способу є посилення штрекового кріплення перед і за вибоєм лави, наприклад гідростояками з зовнішньою чи внутрішньою гідросистемами. Довжина ділянки розміщення випереджального і відстаючого кріплення посилення, виходячи з даних експериментальних досліджень, повинна складати 20 м (при відніманні довжини КС) в розрахунку один стояк на верхняк. Розрахункове значення опору двохрамного механізованого КС складає 1,6 МН.

В результаті комплексного аналізу результатів теоретичних і експериментальних досліджень, а також даних, що отримані в процесі дослідно-промислової перевірки працездатності способу охорони сполучень, встановлено наступне:

- зближення порід підошви і покрівлі штреку зменшується зі збільшенням кута буріння шпурів під БВР (оптимальне значення кута складає 750) і зростає при збільшенні відстані від краю берми до місця буріння;

- зближення порід підошви і покрівлі штреку зменшується майже в 2 рази при збільшенні опору КС з 1,2 до 1,6 МН;

- опір бермового кріплення залежить від відстані між рівнодіючими його зусилля і зусилля КС, при цьому необхідний розрахунковий опір бермового кріплення складає 6,4 МН;

- у разі спорудження в лавовій частини охоронної смуги, остання ефективно виконує свої функції за умови її розміщення відразу вслід за посуванням секції лавового механізованого кріплення на відстані, що дорівнює висоті підриву пласта, при цьому ширина охоронної смуги повинна бути не менш 2 м, а міцність матеріалу не менш 5-6 МПа.

Таким чином можна стверджувати, що найбільш ефективним і раціональним способом охорони сполучень штрек-лава в умовах нестійких порід є механізоване кріплення сполучень у лавовій частині – секцією бермового кріплення, а в штрековій – двохрамним різновеликим кріпленням сполучення із зведенням охоронної смуги, випереджального і відстаючого кріплення посилення штрекового кріплення с додатковим керуванням довжиною породної консолі, яка зависає над штрековою частиною сполучення.

Для реалізації цього способу були розроблені і виготовлені:

- двохрамне механізоване кріплення сполучення (на базі гідрофікованого стола СО-75с) з сумарним опором – 1,6 МН, опором початкового розпору – 1,12 МН, максимальною роздвижністю – 1,65 м, довжиною великої і малої рам, відповідно, - 9,2 м і 4,8 м;

- механізоване бермове кріплення з опором гідростояка, не менш – 1,5 МН, двохступінчастою розсувністю, висотою секцій – 0,8-1,5 м.

Дослідно-промислова перевірка і впровадження способу і засобів охорони сполучень штрек-лава виконані на шахтах “Павлоградська”, “Благодатна”, “Тернівська” і ім. Сташкова ДХК “Павлоградвугілля”. Обсяг впровадження за період з 1998 по 2002 рік склав 67 сполучень штрек-лава. Сумарний економічний ефект від впровадження результатів дисертаційної роботи склав 727 тис. грн.

Обґрунтованість і достовірність положень, висновків і рекомендацій дисертаційної роботи забезпечується: використанням фундаментальних положень механіки деформівного твердого тіла; достатнім обсягом шахтних і лабораторних експериментальних досліджень, які виконані апробованими методами контролю (методична похибка не більш 15 %), застосуванням стандартних засобів вимірів з апаратурною похибкою 2-5 %; задовільною збіжністю результатів теоретичних і експериментальних досліджень; позитивними результатами впровадження розробок у виробництво.

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій одержано нове рішення актуальної науково-прикладної задачі підвищення ефективності піддержання покрівлі на сполученнях штрек-лава в умовах нестійких порід шляхом розробки геомеханічно обґрунтованих комбінованого способу і механізованих засобів охорони сполучень, що має важливе значення для вуглевидобувної галузі.

Основні наукові і практичні результати дисертаційної роботи полягають у наступному.

1. Аналіз стану питання показав, що ефективна охорона сполучень штрек-лава в умовах шахт Західного району Донбасу можлива шляхом створення комбінованого способу і механізованих засобів кріплення, при обґрунтуванні параметрів яких, у першу чергу, повинні враховуватися особливості геомеханіки масиву нестійких порід.

2. Обґрунтовані принципи, розроблена методика і виконана модернізація апаратури контролю геомеханічних процесів у вуглепородному масиві на сполученнях штрек-лава.

3. Комплексними експериментальними дослідженнями встановлено, що вплив лави на штрекове кріплення починає позначатися на відстані 80 м і менше у ціликовій частини і 100 м і менше – при відпрацьованому суміжному стовпі, при цьому напрямок максимального впливу на кріплення щодо вертикальної осі штреку зміщується на 30-45 градусів у бік діючої лави. Максимальні зміни в покрівлі і боках штреку відбуваються в інтервалі від 10 м до підходу лави і до посадки покрівлі, при цьому розміри зон розшарування порід у покрівлі на сполученнях штрек-лава досягають 3,5-4,0 м у ціликовій частини і 5,5-6,0 м у штреку, який закладено паралельно відпрацьованому стовпу.

4. На базі нелінійної просторової задачі механіки гірських порід розроблені математична модель і обчислювальний алгоритм для вивчення геомеханічних процесів, що протікають у вуглепородному масиві поблизу сполучення штреку з лавою, які враховують природну і наведену структурну неоднорідність порід.

5. Методом чисельного моделювання встановлено наступне:

- способи і засоби піддержання покрівлі на сполученнях штрек-лава найбільш суттєво впливають на стан порід, розташованих в інтервалі від -7 до +4 м;

- у покрівлі штреку утворюються зони розтяжних напружень, які в умовах нестійких порід призводять до її локального розшарування й обвалення, з цих міркувань запропоновано кількісний критерій оцінки ефективності використання способів і засобів охорони сполучень – маса розшарованих порід покрівлі;

- у можливому діапазоні варіацій відстані між вертикальними осями штреку і кріплення сполучення (параметр В?) зміни погонної маси розшарованих порід складають 7-18 т/м, при цьому оптимальне значення параметра В? складає 1 м;

- збільшення опору гідростояків кріплення сполучення з 0,4 до 1,2 МН несуттєво поліпшує умови піддержання покрівлі штреку;

- зміна відстані між осями великої і малої рам кріплення сполучення (параметр А) у можливому діапазоні його варіювання призводить до зміни погонної маси розшарованих порід покрівлі штреку в зоні сполучення у 2-3 рази - за лавою і на 50 % - попереду лави, при цьому оптимальне значення параметра А складає 0,5 м.

6. Експериментально встановлено, що опір РК механізованого кріплення сполучення штрек-лава обернено пропорційний відстані В між рівнодіючою зусиль гідростояків і краєм берми, причому збільшення В з 1 до 2 м призводить до зменшення РК з 1550 до 1400 кН. Показано, що номінальний опір РКн механізованого кріплення сполучення визначається розмірами відірваних від масиву породних блоків у покрівлі штреку і практично не залежить від загальної геомеханічної ситуації в системі "вуглепородний масив-сполучення лава-штрек" та складає для запропонованої конструкції кріплення 1600 кН. Стан бокових порід поблизу сполучення штрек-лава буде задовільним тільки в тому випадку, якщо для охорони сполучення використовувати комбіновані способи і засоби. Для нестійких бокових порід це - механізоване кріплення в штрековій і бермовій частинах сполучення, зведення охоронних конструкцій у лавовій зоні і кріплення посилення штреку, а в особливо складних умовах додаткове керування довжиною породної консолі, наприклад за допомогою БВР.

7. На базі геомеханічного і технологічного обґрунтувань параметрів розроблені спосіб і засоби, що забезпечують ефективне піддержання покрівлі на сполученнях лав з виймальними штреками і поліпшують стан штреків за критерієм "робочий перетин" на 25-30 % в умовах нестійких порід шахт Західного району Донбасу.

8. Результати роботи відбиті в нормативно-технічних документах: "Вихідні вимоги до конструкції і параметрів механізованого кріплення для лавових і штрекових зон сполучень" (Держвуглепром України, 1992), Технічне завдання "Кріплення сполучення лави зі штреком" (Мінвуглепром України, 1998), "Тимчасовий технологічний регламент заходів по охороні сполучень штрек-лава з використанням механізованих засобів кріплення на шахтах ДХК "Павлоградвугілля" (ДХК "Павлоградвугілля", 1998), "Тимчасовий технологічний регламент вибору складу устаткування, параметрів і режимів експлуатації технічних засобів для кріплення сполучень лав і пластових штреків опорно-анкерним кріпленням в умовах шахт Західного Донбасу" (Мінпаливенерго України, 2001) і впроваджені на шахтах "Павлоградська", "Благодатна", "Тернівська" і ім. Сташкова ДХК “Павлоградвугілля” з фактичним економічним ефектом 727 тис. грн.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ

ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ РОБОТАХ

Монографія

1. Скипочка С.И., Мухин А.В., Черватюк В.Г. Геомеханика охраны выемочных штреков в неустойчивых породах. - Днепропетровск: НГАУ, 2002. – 125 с.

Статті у наукових виданнях

2. Черватюк В.Г. Особенности поведения пород в зонах сопряжений лав с выемочными штреками, оборудованных механизированными средствами крепления // Геотехническая механика: Сб. науч. трудов /ИГТМ НАНУ. – Днепропетровск. - 1998. - №9. – С.70-72.

3. Черватюк В.Г. Рациональные средства охраны сопряжений комплексно-механизированных лав со штреками // Уголь Украины. – 1999. - №6. – С.15-17.

4. Скипочка С.И., Черватюк В.Г. Особенности геомеханики массива неустойчивых пород вблизи сопряжений лав со штреками // Уголь Украины. –2000. - №8. – С.26-28.

5. Бобылев А.А., Черватюк В.Г. Математическая модель геомеханических

процессов вблизи сопряжений штрека с лавой в неустойчивых породах // Геотехническая механика: Сб. науч. трудов / ИГТМ НАНУ. – Днепропетровск. – 2000. - №23. – С.91-96.

6. Черватюк В.Г. К обоснованию параметров крепей сопряжений “лава-штрек” для неустойчивых пород // Уголь Украины. - 2001. - №2-3. – С.32-33.

7. V.G. Chervatuk. The Model of Computinq Experiment of Interplays in the System “Support – Rock mass” on Linkings of Mining Drifts // Geotechnological Issues of Underground Space Use for Environmentally Protected World. –Dnipropetrovsk: NMUU, 2001. – P.119-120.

8. Кияшко Ю.И., Круковский А.П., Черватюк В.Г. О технологическом регламенте выбора оборудования на сопряжениях лава-штрек с опорно-анкерной крепью // Геотехническая механика: Сб. науч. трудов / ИГТМ НАНУ. – Днепропетровск. – 2002. - №38. – С.103-106.

9. Скипочка С.И., Паламарчук Т.А., Мухин А.В., Черватюк В.Г. Виброакустический контроль динамики системы “углепородный массив-крепь горных выработок” // Геотехническая механика: Сб. науч. трудов / ИГТМ НАНУ. – Днепропетровск. – 2002. - №36. – С.131-135.

АНОТАЦІЯ

Черватюк В.Г. Геомеханічне обгрунтування параметрів і розробка комбінованого способу та засобів піддержання покрівлі на сполученнях штрек-лава в умовах нестійких порід. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.11 – фізичні процеси гірничого виробництва. - Інститут геотехнічної механіки НАН України, Дніпропетровськ, 2003.

Робота присвячена дослідженням геомеханічних процессів в масиві нестійких порід з метою підвищення ефективності техніки та технології охорони виробок в зонах сполучень штрек-лава.

Інструментальними механічними методами, методами гірничої геофізики та математичним моделюванням тривимірного анізотропного середовища у пружно-пластичній постановці задачі із застосуванням обчислювального експерименту встановлені закономірності формування напружено-деформованого стану в масиві нестійких порід поблизу сполучень лав з виймальними штреками. На цій основі обгрунтовані параметри способу і розроблені механізовані засоби ефективного піддержання покрівлі на сполученнях. Результати роботи реалізовані у нормативно-технічних документах (методиці, технологічних регламентах, технічному завданні) та впроваджені на ряді шахт Західного району Донбасу.

Ключові слова: вуглепородний масив, сполучення штрек-лава, геомеханіка системи “масив-сполучення-охоронні конструкції”, спосіб та механізовані засоби піддержання покрівлі.

АННОТАЦИЯ

Черватюк В.Г. Геомеханическое обоснование параметров и разработка комбинированного способа и средств поддержания кровли на сопряжениях штрек-лава в условиях неустойчивых пород. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 – физические процессы горного производства.- Институт геотехнической механики НАН Украины, Днепропетровск, 2003.

Работа посвящена исследованиям геомеханических процессов, протекающих в массиве неустойчивых пород, с целью повышения эффективности техники и технологии охраны выработок в зонах сопряжений штрек-лава.

Выполнен анализ состояния вопроса, показавший, что эффективная и безопасная охрана сопряжений штрек-лава в условиях шахт Западного района Донбасса возможна путем создания комбинированного способа и механизированных средств крепления, при обосновании параметров которых, в первую очередь, должны учитываться особенности геомеханики массива неустойчивых пород.

Обоснованы принципы контроля геомеханических процессов и выполнена модернизация промышленных образцов ультразвуковой техники, в частности дефектоскопа и датчика, что позволило оценить техногенную трещиноватость углепородного массива на сопряжениях штрек-лава, в том числе в кровле выработок. Комплексными экспериментальными исследованиями, включающими методы ультразвукового контроля, ударно-волновой диагностики и измерения конвергенции боковых пород установлено, что влияние лавы на систему “штрековая крепь-массив неустойчивых пород” начинает сказываться на расстоянии 100 м и менее в целиковой части и 80 м и менее – при отработанном смежном столбе, при этом направление максимального воздействия на крепь относительно вертикальной оси штрека смещается на 30-45 градусов в сторону действующей лавы. Показано, что максимальные изменения в кровле и боках штрека происходят в интервале от 10 м до подхода лавы и до посадки кровли, при этом размеры зон расслоения пород в кровле на сопряжениях штрек-лава достигают 3,5-4,0 м в целиковой части и 5,5-6,0 м в штреке, заложенном параллельно отработанному столбу.

На базе нелинейной пространственной задачи механики горных пород разработана математическая модель геомеханических процессов, протекающих в углепородном массиве вблизи сопряжения штрека с лавой, учитывающая естественную и наведенную структурную неоднородность пород. Разработан вычислительный алгоритм, реализованный в виде объектно-ориентированных программ для персональных компьютеров типа “Pentium”. Методом компьютерного моделирования установлено, что: способы и средства поддержания кровли на сопряжениях штрек-лава оказывают влияние на состояние пород, расположенных на участке штрека от -7 до +4 м; в кровле штрека образуются зоны растягивающих напряжений, которые в условиях неустойчивых пород приводят к их локальному расслоению и обрушению, поэтому способы и средства охраны сопряжений