МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Красько Андрій Миколайович

УДК 622.273.23

ОБҐРУНТУВАННЯ МЕТОДИКИ ПРОГНОЗУ СТІЙКОСТІ ТА СПОСОБІВ КЕРУВАННЯ ПОКРІВЛЕЮ В ОЧИСНИХ ВИБОЯХ З УРАХУВАННЯМ СТОХАСТИЧНОСТІ ВПЛИВАЮЧИХ ФАКТОРІВ

05.15.11 – "Фізичні процеси гірничого виробництва"

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Донецькому учбово-науково-виробничому гірничому об’єднані (ДУНВГО) Міністерства палива та енергетики України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

Назимко Віктор Вікторович,

завідуючий лабораторією комп’ютерного та фізичного моделювання незворотних процесів Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук

Антіпов Ігор Владиславович

завідуючий відділом прогнозу та боротьби із газодинамічними явищами у шахтах Інституту фізики гірничих процесів НАН України, м. Донецьк

кандидат технічних наук

Дичковський Роман Омелянович

доцент кафедри підземної розробки Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ

Провідна установа:

Український державний науково-дослідний і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України, лабораторія гірського тиску, м. Донецьк

Захист дисертації відбудеться “27” січня 2005 р. у 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03 із захисту дисертацій при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К.Маркса, 19, т. 47-24-11

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К.Маркса, 19

Автореферат розісланий “__” грудня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради Д 08.080.03
кандидат технічних наук В.І. Тимощук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Економічний потенціал держави у значній мірі встановлюється рівнем розвитку паливно-енергетичного комплексу. Тому програмою “Українське вугілля” (Постанова Кабінету Міністрів України від 19.09.2001 р. №1205) передбачається збільшення видобутку вугілля до 106,14 млн. т у 2010 р. Забезпечення такого рівня видобутку може бути досягнуто тільки підвищенням ефективності роботи очисних вибоїв. Обвалення порід безпосередньої покрівлі призводять до зниження продуктивності лав на 30-40%, збільшують зношення вибійного обладнання, негативно впливають на якість вугілля, що видобувається, та рівень безпеки гірників у очисному вибої. Несприятливий вплив обвалень порід безпосередньої покрівлі на продуктивність лав можна ліквідувати шляхом їх прогнозування. До теперішнього часу виконаний значний об’єм досліджень з проблеми прогнозування обвалень порід у привибійний простір очисних вибоїв. Однак, існуючі методи прогнозу обвалень базуються на детермінованих показниках стійкості порід. При цьому не враховуються стохастичні характеристики найбільш вагомих факторів, що визначають стан безпосередньої покрівлі у привибійному просторі комплексно-механізованих вибоїв. Ефективність заходів щодо підвищення стійкості порід значно знижується із-за невеликої вірогідності прогнозу зон можливих обвалень. Таким чином, актуальною науково-прикладною задачею є обґрунтування методики прогнозу стійкості та способів керування покрівлею у очисних вибоях з врахуванням стохастичності впливаючих факторів для підвищення ефективності комплексно-механізованого виймання вугілля. Для цього необхідні наукові дослідження, що спрямовані на встановлення тенденцій зміни та чисельних значень стохастичних показників стійкості порід у комплексно-механізованих вибоях.

Зв’язок теми дисертації із планом основних науково-дослідницьких робіт. Дисертація виконана у відповідності з тематичним планом ДонНТУ за результатами досліджень, що пов’язані із вивченням стійкості гірничих виробок на великих глибинах (номера держреєстрації тем 0198U002310, 0101U001109).

Мета роботи полягає в обґрунтуванні методики прогнозу стійкості та способів керування покрівлею в очисних вибоях з врахуванням стохастичності впливаючих факторів для підвищення ефективності комплексно-механізованого виймання вугілля.

Ідея роботи – основана на рангуванні ступеня ризику обвалення покрівлі та характеру заходів щодо забезпечення її стійкості у залежності від невизначеності впливаючих факторів.

Задачі досліджень:

1) встановити параметри дисперсії показників головних факторів, що встановлюють ступень ризику обвалень покрівлі в очисних вибоях;

2) розробити критерій стійкості покрівлі в очисних вибоях із урахуванням стохастичності впливаючих факторів;

3) провести промислову перевірку удосконаленої методики прогнозу обвалень покрівлі в очисному вибої.

Об’єкт досліджень – процес обвалення порід безпосередньої покрівлі у комплексно-механізованих очисних вибоях.

Предмет досліджень – критерій стійкості безпосередньої покрівлі очисного вибою, що рухається.

Методи досліджень. У роботі використаний комплексний науковий підхід, який включає до себе: методи математичної статистики для аналізу факторів, що впливають на стійкість покрівлі; аналіз даних шахтних спостережень за станом секцій механізованого кріплення для оцінки величини опору; комбінування методів чисельного моделювання напруженого стану покрівлі очисного вибою та статистичних методів для встановлення стійкості безпосередньої покрівлі.

Наукові положення, що винесені на захист.

1. Стохастичний характер формування стійкості покрівлі у довгому очисному вибої обумовлюється випадковим відхиленням критерію стійкості від середнього значення, яке зменшується із збільшенням напружень у зоні опорного тиску, падінням робочого опору кріплення від номінального при збільшенні ступеня зносу механізованого комплексу, та зменшенням середньозваженої міцності порід безпосередньої покрівлі.

2. Диференціація способів підвищення стійкості покрівлі базується на залежності середньоквадратичного відхилення критерію стійкості покрівлі, який прямо пропорційний міцності порід, опору кріплення та обернено пропорційний вертикальній компоненті нормального напруження попереду очисного вибою.

Новизна наукових положень.

1. Уточнена залежність величини довірчого інтервалу випадкової величини межи міцності порід на одноосьове стиснення від показника міцності порід за шкалою проф. Протодьяконова. При вірогідності 95% та міцності порід 2 довірчий інтервал складає ±220% та експоненціально зменшується до ±50% із збільшенням міцності порід більше 6.

2. Уточнені тенденції зміни та чисельні показники відхилення величини фактичного робочого опору механізованого кріплення від номінального значення із урахуванням ступеня його зношеності, що складає 0,09 для нового комплексу та збільшується до 0,2 для комплексу із зношенням 20%.

3. Вперше встановлена залежність зміни середньоквадратичного відхилення критерію стійкості покрівлі, величина якого прямо пропорційна міцності порід, опору кріплення та обернено-пропорційна діючій вертикальній компоненті нормального напруження попереду очисного вибою, що рухається. Доведено, що розкид величини критерію стійкості зменшується із збільшенням напружень, ступеня зношення кріплення та із збільшенням міцності порід.

4. Вперше встановлено, що із збільшенням значення критерію стійкості порід точність встановлення границь можливих обвалень знижується. Якщо критична величина коефіцієнта стійкості покрівлі складає одиницю, точність оцінки границі обвалення при величині гірського тиску 60 МПа знаходиться у межах [-0,4; +0,4]. При величині коефіцієнту стійкості 2,0 та 3,0 помилка оцінки обвалення складає 0,85 та 2,3 відповідно, або 42,5% та 76% при довірчій вірогідності 0,95.

Наукове значення отриманих результатів полягає у встановленні закономірностей показників розкиду критерію стійкості безпосередньої покрівлі довгого очисного вибою в залежності від гірничо-геологічних та гірничотехнічних умов ведення гірничих робіт.

Практичне значення отриманих результатів полягає у наступному.

1. Удосконалена методика прогнозу та способи забезпечення стійкості порід безпосередньої покрівлі очисного вибою, що рухається, яка відрізняється урахуванням випадкового розкиду основних факторів, що встановлюють її стійкість (рівень гірського тиску, міцність вміщуючих порід та величина опору механізованого кріплення), а також ступінь ризику обвалення покрівлі. Методика дає можливість раціонального вибору заходів та їх параметрів для забезпечення стійкості безпосередньої покрівлі очисного вибою, що рухається, при заданому рівні ризику обвалення.

2. Виконана диференціація способів підвищення стійкості покрівлі в залежності від факторів, що встановлюють обвалення порід та ступінь його ризику.

Обґрунтованість та достовірність основних наукових висновків та практичних рекомендацій підтверджена статистично значимим об’ємом вибірки початкових даних; коректним застосуванням методів математичної статистики для встановлення характеристик стохастичних показників стійкості порід та чисельних методів моделювання напружено-деформованого стану гірського масиву, що підпадає під вплив очисних робіт; позитивними результатами промислової перевірки розробленої методики прогнозування стійкості покрівлі у діючих очисних вибоях.

Реалізація висновків та рекомендацій роботи. В умовах 2-ї північної лави пласта k17 ДВАТ “Шахта “Новодонецька” виконаний прогноз стійкості покрівлі та апробований метод рангування зон вірогідних обвалень. Економічний ефект від зниження простоїв очисного вибою із-за ліквідації обвалень породи у привибійному просторі склав 143,4 тис. гривень.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації обговорювалися та отримали схвалення на 8-у міжнародному семінарі “Вугілля у металургії та енергетиці” (м. Ялта, Україна, 7-12 жовтня 2002 р.), у міжнародній школі по експлуатації підземних родовищ (м. Краків, Польща, 21-23 лютого 2002 р.), ХII міжнародній науковій школі ім. академіка С.А. Христіановича “Деформування та руйнування матеріалів з дефектами та динамічні явища у гірничих виробках” (м. Алушта, 16-22 вересня 2002 р.), на міжнародній конференції “Тиждень гірника 2003” (м. Москва, Росія, 28 січня 2003 р.).

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно встановив актуальність задачі, провів аналіз наукових робіт за темою досліджень, поставив задачі досліджень та обрав методи їх вирішення; брав безпосередню участь у проведенні математичного моделювання, здійсненні експериментів у шахтних умовах, впровадженні результатів роботи; зробив головні висновки та сформулював наукові положення.

Публікації. Основні наукові та практичні результати дисертації представлені у 6 наукових роботах, які опубліковані у виданнях, що рекомендовані ВАК України до публікації дисертаційних робіт.

Структура та об’єм роботи. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, висновку та додатків. Загальний обсяг 143 сторінки, у тому числі 28 рисунків, 13 таблиць, та список використаних джерел із 124 посилань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вивчення стану проблеми прогнозу обвалень безпосередньої покрівлі у очисних вибоях (розділ 1) засвідчило, що ця проблема є характерною для вугільних шахт європейських держав та найбільш актуальна на шахтах України. Це пояснюється значною глибиною розробки та незадовільною стійкістю порід покрівель. Аналіз статистики безпеки гірничих робіт на шахтах України свідчить про те, що проблема обвалень безпосередньої покрівлі постійно загострюється. Доля обвалень покрівлі складає 30% від загальної кількості аварій на шахтах України, причому на шахтах західних промислово розвинених країн ця цифра більша та сягає 48-56%. Біля 60% від всіх обвалень зафіксовано у очисних вибоях. Тяжкість проявів вказаних небезпек дуже велика. Середній коефіцієнт смертності при обваленнях складає 0,8. Щорічно відбувається біля 40 великих завалів на видобувне об’єднання, більше половини з яких у очисних вибоях або на сполученнях із виїмковими виробками.

Проблемі обвалень безпосередньої покрівлі у привибійний простір очисного вибою присвячені багаторічні дослідження провідних вітчизняних та закордонних дослідницьких установ (Донвугі, МакНДІ, НДІГС, НГУ, УкрНДМІ, ДонНТУ у Україні, ІГС ім. Скочинського, ЛГГУ, ІГС СО РАН у Росії, Бюро безпеки гірничих робіт у США та ін.). Аналіз сучасної літератури засвідчив, що геомеханічні процеси, які призводять до руйнування порід покрівлі та далі до обвалень, дуже різноманітні. Це є наслідком змінності властивостей порід, що вміщують вугільні пласти, а також значного різноманіття технічних заходів виймання вугілля та управління гірським тиском. Головними факторами, що встановлюють стійкість покрівлі, є міцність, шаруватість, тріщинуватість, обводнення порід покрівлі, компоненти гірського тиску (гірничо-геологічна група), а також опір кріплення очисного вибою та його параметри, швидкість посування лави, спосіб управління покрівлею, технологія відробки пласта (гірничотехнічна група факторів).

Більшість із перелічених факторів мають стохастичну природу та не є детермінованими величинами. Обґрунтування необхідності застосування теорії вірогідності у геомеханіці наведено у роботах вчених НГУ (Шашенко А.Н., Сдвижкової Е.А., Парчевського Л.Я.). Аналіз процесів обвалення покрівлі у очисному вибої показав, що границі зони можливих обвалень можуть бути встановлені тільки із кінцевою вірогідністю. Причиною цього є невизначеність вихідних факторів, що впливають на процес обвалень. Іншими словами вірогідність обвалення покрівлі повинна встановлюватися на підставі урахування випадкового розкиду показників міцності вміщуючих порід, величини гірського тиску та опору механізованого кріплення. Такий підхід до прогнозу обвалень покрівлі у робочий простір довгого очисного вибою використовується вперше, із чого витікають поставлені у роботі задачі досліджень.

Встановлення параметрів розкиду показників головних факторів, що визначають ступінь ризику обвалень покрівлі у очисних вибоях (розділ 2). Насамперед виконаний статистичний аналіз розподілу міцністних властивостей порід, що вміщують очисну виробку. Встановлено, що приведена міцність порід безпосередньої покрівлі розподілена відповідно нормального, нормального зрізаного або логнормального законів. Ці результати підтверджуються висновками досліджень НГУ (Сдвижкова Е.А.), що виконані стосовно підготовчих виробок. Встановлено, що природний розкид показників міцності порід покрівлі очисного вибою зменшується із збільшенням значення міцності. На рис. наведено графік зміни розкиду міцності порід безпосередньої покрівлі із ростом середньої величини міцності. При рівні надійності 95% довірчий інтервал розкиду слабких порід із коефіцієнтом міцності рівним 2 за шкалою проф. Протодьяконова сягає 220%, тоді як у міцних пісковиків варіація міцності зменшується до 50%.

Аналіз реальних величин опору кріплення у очисних вибоях показує, що далеко не всі секції механізованого кріплення забезпечують нормативне опускання порід покрівлі. Навіть у новому комплексі після його монтажу є секції, що не забезпечують нормативний опір. Це відбувається не стільки за вини виготовлювачів кріплення, скільки із-за пошкоджень, що накопичуються у процесі доставки та монтажу секцій у конкретному очисному вибої, а також із-за недосконалості контакту між перекриттям секцій та безпосередньої покрівлі. Дані про розподіл нормованого опору кріплення наведені на рис. . Вони отримані за результатами контролю опору секцій за допомогою спеціальних індикаторів, що встановлюються на кріпленні вітчизняного виробництва, перевірки секцій на дорозтиснення, а також аналізу прямих замірів тиску у стійках кріплення за даними закордонних джерел. Можна бачити, що при збільшені зносу кріплення (зменшення Р) розподіл стає більш похилим. Також збільшується коефіцієнт варіації опору кріплення. Ця залежність (табл. ) буде використовуватися при встановленні варіації границь вірогідних обвалень покрівлі.

Аналіз існуючих типів напруженого стану масиву гірських порід на підставі геодинамічного районування засвідчив, що при прогнозуванні стійкості покрівлі у довгих очисних вибоях достатньо враховувати тільки вертикальну компоненту напруженого стану, так як горизонтальні компоненти значно менші вертикальної через інтенсивне горизонтальне розвантаження масиву у оточенні очисного вибою та високий ступень концентрації вертикальної компоненти попереду очисного вибою, що рухається. Варіація рівня гірського тиску при цьому дорівнює 6 МПа, та є приблизно постійною у межах глибин розробки від 200 м до 1000 м.

Розробка математичної моделі для розрахунку критерію стійкості порід безпосередньої покрівлі у очисному вибої із урахуванням стохастичності вихідних факторів (розділ 3) виконувалася шляхом рішення декількох підзадач. Спочатку були проаналізовані існуючі критерії стійкості покрівлі у очисному вибої. Базуючись на раніше розроблених та апробованих критеріях, враховуючи необхідність уникнення подвійного врахування різних факторів, уникнення застосування факторів, що є малозначимими та тяжко визначаються, та із ціллю зберігання прямого фізичного смислу критерію стійкості для моделі прогнозу стійкості безпосередньої покрівлі приймається наступний вигляд критерію:

(1)

де R – середньозважена міцність шарів покрівлі, МПа;

Р – показник опору кріплення; приймається як різниця між максимальним відносним опором (одиниця) та ступенем зношення комплексу, що виражена у долях одиниці. Так, для комплексу із зношенням 0% (новий) цей показник приймається рівним 1,0, для комплексу із зношенням 20% – 0,8, та т.п.;

kгH– ?іючі у покрівлі пласта напруження із урахуванням коефіцієнту концентрації, МПа;

У такому вигляді (1) критерій враховує фактори, що найбільше впливають на стійкість покрівлі у довгих очисних вибоях.

Для розрахунку концентрації вертикальної компоненти гірського тиску прийнято рішення щодо застосування методу розрахунку гірського тиску, що базується на гіпотезі проф. Слєсарєва, який розглянув покрівлю як плиту, що опирається на неоднорідну основу. Суть метода основана на наступному. Сукупність шарів безпосередньої та основної покрівлі розглядається як тонка плита, що оперта на неоднорідну основу. Ця основа представлена вугільним пластом та нижче розташованими породами підошви. Жорсткість основи залежить від конфігурації виробленого простору. Чим більше відроблено пластів, тим менша жорсткість основи. У недоторканому масиві жорсткість максимальна. При цьому використано підхід проф. Зборщика М.П., коли усі вироблені простори проектуються на площину пласта, що розглядається. Це дозволяє використовувати принцип еквівалентного приведення усіх просторів за суміжними пластами, та економить розмір розрахункової області.

На наступному етапі досліджень вирішувалася головна у даній роботі задача прогнозу границь зон можливих обвалень із урахуванням варіації критерію стійкості покрівлі у силу природної змінюваності вхідних факторів, що встановлюють стійкість покрівлі.

Встановлення моди (найбільш вірогідного) значення критерію стійкості порід виконувалося за формулою (1). Для врахування стохастичності параметрів, що входять до критерію, необхідно також встановити інтервал можливих відхилень значень критерію стійкості. Він встановлюється на основі даних про розподіл параметрів, що входять до критерію. Із математичної точки зору має місце задача про находження інтервалу значень функції при відомих розподілах вхідних до неї аргументів. Розкид величин випадкової функції буде встановлюватися за відомою залежністю:

(2)

де fr, fу, fp – частинні похідні за параметрами відповідно міцності порід, напружень та опору кріплення;

уr, уу, уp – середньоквадратичні відхилення розподілів міцності, величини гірського тиску та опору кріплення.

Ця формула може бути застосована лише у випадку, коли величини, що входять до неї, є незалежними між собою. Ця вимога виконується, оскільки міцність вміщуючих порід встановлюється геологічними факторами, які формувалися мільйони років; величина гірського тиску залежить від глибини розробки та конфігурації сумарного виробленого простору, а опір кріплення повністю встановлюється технологією її виготовлення та умовами експлуатації.

Вирази для частинних похідних за перемінними буде записано у вигляді:

fr = P/s; fs = -RP/s2; fp = R/s. (3)

При розрахунках отриманої величини критерію стійкості у залежності від значень міцності порід та рівня гірського тиску при середній величині відносного опору кріплення 1,0; 0,8; 0,6; 0,4 та 0,2.

Значення середнього опору секцій механізованого кріплення 0,4, а тим більш 0,2, є малоймовірним. Однак, у практиці на вугільних шахтах України така ситуація зустрічається, особливо при доробці виїмкової дільниці комплексом, що був раніше у споживанні і вже достатньо зношений, та який не планується до витягання із шахти.

У результаті аналізу розраховані величини частинних похідних функції критерію стійкості за змінними R, P та s для усіх ступенів зносу комплексу. Встановлено, що значення частинної похідної по параметру міцності порід зменшуються із збільшенням ступеня зносу комплексу та рівня гірського тиску, що діє попереду лави. У свою чергу значення частинної похідної критерію стійкості порід покрівлі збільшуються із ростом міцності порід та зменшенням рівня гірського тиску, що діє попереду лави.

Після підставлення даних за значеннями критерію та частинним похідним у формулу (2) отримані розподіли стандартних відхилень критерію стійкості покрівлі при різному ступені зносу механізованого комплексу. Для прикладу на рис. наведено розподіл значення стандартного відхилення критерію покрівлі при Р=1,0 (новий комплекс).

Аналіз розподілу відхилень для усіх вхідних умов показує, що величина відхилення критерію стійкості покрівлі від його середнього значення зменшується при збільшенні діючих у покрівлі пласта напруженнях, зменшенні міцності порід та несправних секціях кріплення. У цьому випадку точність встановлення границь зон обвалень покрівлі максимальна. Максимальний розкид критерію стійкості покрівлі (до 10,0) має місце при повністю справних секціях механізованого кріплення, при мінімальних напруженнях та максимальній міцності порід. Мінімальний розкид критерію стійкості покрівлі (<0,1) відзначається при максимально несправних секціях механізованого кріплення, мінімальній міцності порід та максимальних діючих напруженнях.

Досвід оцінки стійкості покрівлі показав, що критичні (або порогові) величини коефіцієнту стійкості сильно варіюються для різних умов та можуть змінюватися від 0,6 до 3 та більше. На рис. наведені лінії, що відповідають величинам коефіцієнту 1,0, 2,0 та 3,0. Аналіз сумісного розподілу засвідчує, що максимальна точність встановлення границь обвалень досягається у тому випадку, коли граничний стан порід покрівлі формується високим рівнем гірського тиску. Так у випадку, коли критична величина коефіцієнту стійкості порід покрівлі складає одиницю, точність оцінки границі обвалення складає ±0,4 або 40% при величині гірського тиску 60 МПа. При величині коефіцієнту стійкості 2,0 та 3,0 похибка оцінки границі обвалення дорівнює відповідно 0,85 та 2,3 або 42,5% та 76%. Звідси витікає, що із збільшенням порогової величини критерію стійкості покрівлі точність встановлення границь можливих обвалень падає.

Похибка встановлення місця розташування границь обвалень збільшується із зменшенням рівня гірського тиску. На рис. пунктирною гіперболою окреслена границя, нижче якої положення границі обвалень “знизу” не встановлено. Це означає, що з урахуванням довірчого інтервалу знизу величина критерію може дорівнювати 0. Іншими словами обвалення може відбутися (але не обов’язково відбудеться) у будь якій точці по площині виїмкового стовпа, де задовольняється ця умова. У фізичному смислі нульове значення критерію стійкості відповідає випадку нульової міцності порід покрівлі та відсутності (або повній поломці) кріплення у очисному вибої. За таких умов обвалення покрівлі дійсно дуже ймовірно.

Покажемо на прикладі процедуру встановлення границь обвалень покрівлі. Нехай прогноз обвалень виконується в межах прямокутної дільниці виїмкової площі шахтопласту, що зображена на рис. . Пунктирною лінією окреслена область, у межах якої можливе обвалення безпосередньої покрівлі у привибійний простір очисної лави. Ця границя виділена по величині середнього рівня порогового значення критерію стійкості Ксеред, при якому відбувається обвалення у конкретних гірничо-геологічних та гірничотехнічних умовах розробки пласта.

Побудуємо довірчий інтервал границі обвалення у точці О. Для цього проведемо дотичну у цій точці до границі, що відстроєна по середній величині критерію стійкості, та відтворимо нормаль N до цієї дотичної. Знаючи у цій точці величину гірського тиску та приведену міцність порід покрівлі за діаграмою на рис. встановлюємо величину довірчого інтервалу ? критерію стійкості. Після цього шукаємо в обидві сторони від точки О вздовж нормалі місця перетинання цієї нормалі із ізолініями критерію стійкості, які відповідають величинам Ксеред+Д ?бо границі зверху (ізолінія “макс”) та Ксеред-Д – ?раниці знизу (ізолінія “мін”). У силу того, що ізолінії критерію розподілені нерівномірно, а градієнт його величини сильно коливається, просторове положення верхньої та нижньої границі значно змінюється, а просторові плечі границь відносно середнього рівня, як правило, не дорівнюють один одному (відстань до ізолінії із значенням Ксеред+Д ?е дорівнює відстані до ізолінії Ксеред-Д). ? кінці отримуємо границі довірчих інтервалів у просторі. Враховуючи те, що розкид границь (варіація) міцності приймалася у цій роботі із довірчим інтервалом ±95%, ствердження про те, що обвалення покрівлі відбудуться або не відбудуться можна формулювати із тією ж надійністю.

У якісному плані границі “серед”, “макс” та “мін” можна трактувати як границі помірного, мінімального та максимального ризику прогнозу області, де можливі обвалення покрівлі.

Внаслідок того, що при прогнозуванні за цією методикою необхідно виконувати значний обсяг розрахунків, усі етапи розрахунків виконуються із допомогою відповідних обчислювальних програм. При необхідності можна користуватися даними наведених у дисертації таблиць про варіацію відповідних параметрів за різних умов шляхом їхньої інтерполяції.

Як було встановлено, різні фактори мають різний ступень впливу на величину розкиду критерію стійкості покрівлі. У зв’язку із цим була виконана диференціація способів підвищення стійкості покрівлі по найбільш раціональним зонам їхнього застосування (рис. ). В цілому виконана класифікація факторів підвищення стійкості покрівлі за впливом на головні параметри критерію та способів підвищення стійкості покрівлі за найбільш раціональними зонами їхнього застосування є геомеханічним обґрунтуванням заходів щодо забезпечення стійкості порід очисного вибою, що рухається, у залежності від впливаючих факторів та ступеня ризику, та дозволяє суттєво економити засоби на управління покрівлею очисного вибою.

Промислова перевірка удосконаленої методики прогнозу обвалень покрівлі у очисному вибої (розділ 4) виконувалася в умовах шахти “Новодонецька” ДХК “Добропіллявугілля”. Одна з найбільш гострих проблем при відробці вугільного пласта k17 на цій шахті пов’язана із негативними проявами посадки основної покрівлі, у якій залягає могутній монолітний пісковик. Обвалення цього пісковику призводить до обвалень покрівлі у робочій простір очисного вибою, а також до затиску механізованого кріплення “нажорстко”. Такі негативні явища знижують безпеку підземних робіт, призводять до підвищеного зносу очисного обладнання, а також погіршують економічні показники шахти.

Для апробації розробленої методики була обрана 2-а північна лава, у якій очікувалися вказані вище проблеми. На підставі геологічної інформації та величини розрахованих напружень, що діють у покрівлі при посуванні лави, за формулою (1) був виконаний розрахунок критерію на площині виїмкового стовпа. Встановлено, що абсолютні значення критерію стійкості покрівлі змінюються від 1,0 до 3,0. За допомогою калібрування величини критерію стійкості за результатами відробки 3-ї північної лави встановлено його порогове значення, що дорівнює 1,7 (Ксеред).

У відповідності до пункту 3 розробленої методики у межах виїмкового стовпа 2-ї північної лави виконано окреслення лінії “серед”, що відповідає прогнозу з помірним ступенем ризику. Вона проведена по ізолінії із значенням критерію стійкості 1,7. Місця із значенням критерію менше за вказаний зазначені як місця прогнозу обвалень безпосередньої покрівлі із помірним ризиком (рис. ). Площина зони можливих обвалень складає біля 89 тис. м2. Такий несприятливий прогноз пояснюється наявністю на більшій частині площини виїмкового стовпа 2-ї північної лави слабкого шару безпосередньої покрівлі, який представлений аргілітом.

На наступному етапі виконано встановлення параметрів розкиду критерію стійкості покрівлі на виїмковому стовпі, що аналізується, у точках на ізолінії “серед”. За допомогою розрахованих таблиць розкиду критерію було орієнтовно оцінено дані відхилення. Так напруження по площині виїмкового стовпа змінюються від 13,7 до 34 МПа. Міцність порід складає, як було встановлено вище, від 20,4 МПа до 49,3 МПа. Виходячи із цих даних, діапазон відхилення критерію може скласти від 0,3 до 2,1. Повний розрахунок відхилень було виконано на комп’ютері.

У результаті розрахунків встановлені контури зон обвалень за лініями “мін” та “макс” (рис. 7-8). У першому випадку окреслена зона мінімальних розмірів із максимальною небезпекою за обваленнями покрівлі. У ній обвалення на площині 28 тис. м2 відбудуться із високим ступенем вірогідності (не менш 0,95), так як навіть із урахуванням можливих відхилень абсолютні значення критерію стійкості покрівлі не перевищують порогове його значення. Між лініями “серед” та “макс” знаходиться зона, у якій обвалення менш вірогідні. Однак, за рахунок випадкової зміни параметрів, що встановлюють стійкість покрівлі, вони можливі. Загальна площина можливих обвалень із урахуванням мінімального ризику прогнозу складає 84 тис. м2. Площина можливих обвалень із мінімальним ризиком прогнозу більше площини, що відповідає максимальному ризику у 6,2 рази. Фактично це означає, що за зменшення ризику прогнозу треба розплачуватися додатковими матеріальним, технічними засобами та витрачати додаткові людські ресурси.

Далі був проведений вибір заходів щодо підвищення стійкості покрівлі за їхнім рангом. У межах 1-ї зони (у відповідності до класифікації на рис. ), яка обмежена лініями “серед”-“макс” та відповідає мінімальному ризику обвалення, було рекомендовано виконувати спостереження за станом покрівлі у очисному вибої гірничими майстрами та співробітниками геологічної служби шахти. Ті дільниці лави, у яких виникає небезпечний стан покрівлі, слід переводити до розряду другої зони із наступним застосуванням відповідних заходів.

У межах 2-ї зони, яка обмежена лініями “мін”-“серед” та відповідає помірному ризику обвалення покрівлі, рекомендувалося виконувати регулярну перевірку значення опору, який можуть робити секції кріплення. Окрім того було запропоновано виконати заходи по перенастроюванню клапанів на більш високе значення спрацювання. Прибавка додаткового тиску повинна бути прямо пропорційна відхиленню критерію від порогового значення.

У межах 3-ї зони, яка обмежена лінією “мін”, запропоновано проведення попередніх заходів щодо запобігання обвалень покрівлі. Серед них встановлення випереджаючих анкерів та зміцнення порід, а також торпедування покрівлі та формування бутової смуги вслід за лавою. Кінцевий вибір заходів був зроблений після техніко-економічної оцінки можливих варіантів та матеріальних можливостей шахти.

Економічний ефект від застосування даного методу прогнозу можливих обвалень безпосередньої покрівлі склав 143,4 тис. гривень та був обумовлений забезпеченням планового посування вибою не дивлячись на змінний ступень стійкості покрівлі.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, у якій дано нове вирішення актуальної науково-прикладної задачі обґрунтування методики прогнозу стійкості та способів керування покрівлею у очисних вибоях з врахуванням стохастичності впливаючих факторів, що дозволяє диференціювати способи підвищення стійкості покрівлі у довгому очисному вибої та підвищити безпеку підземних робіт.

Основні наукові та практичні результати роботи полягають у наступному.

1. Встановлено, що способи, які використовуються для прогнозу зон обвалень покрівлі у очисних вибоях, призводять до значних помилок при прогнозуванні зон обвалень безпосередньої покрівлі у очисних вибоях. Для забезпечення належної достовірності результатів при прогнозуванні зон можливих обвалень у довгих очисних вибоях необхідно враховувати стохастичність факторів, що обумовлюють обвалення порід безпосередньої покрівлі.

2. Уточнена залежність величини довірчого інтервалу випадкової величини границі міцності порід на одноосьове стиснення від показника міцності порід за шкалою проф. Протодьяконова. При вірогідності 95% та міцності порід 2 довірчий інтервал складає ±220% та експоненціально зменшується до ±50% із збільшенням міцності більше 6.

3. Уточнено тенденції зміни та чисельні показники відхилення стохастичної величини фактичного робочого опору механізованого кріплення від номінального значення із урахуванням ступеня його зносу, які складають 0,09 для нового комплексу та збільшуються до 0,2 для комплексу із зносом 20%.

4. Обґрунтований вид критерію стійкості порід безпосередньої покрівлі у довгих очисних вибоях. Величина критерію прямо пропорційна міцності порід та питомому опору кріплення, зворотно пропорційна напруженням у гірському масиві. У такому вигляді критерій дозволяє відобразити фізичне значення процесу формування та розвитку обвалення та забезпечує достатній рівень достовірності прогнозу стійкості вміщуючих порід із урахуванням стохастичності факторів.

5. Вперше встановлена закономірність зміни середньоквадратичного відхилення критерію стійкості порід. Доказано, що розкид величини критерію стійкості зменшується із збільшенням напружень, ступеня зносу кріплення та із зменшенням міцності порід.

6. Із збільшенням значення критерію стійкості порід точність встановлення границь можливих обвалень знижується. Якщо критична величина коефіцієнта стійкості покрівлі складає одиницю, точність оцінки границі обвалення при величині гірського тиску 60 МПа знаходиться у межах [-0,4; +0,4]. При величині коефіцієнту стійкості до 2,0 та 3,0 помилка оцінки обвалення складає 0,85 та 2,3 відповідно, або 42,5% та 76% при довірчій вірогідності 0,95.

7. Удосконалений метод прогнозу та забезпечення стійкості порід безпосередньої покрівлі. Метод передбачає будування прогнозних границь із мінімальним, помірним та максимальним ризиком, вибір заходів для забезпечення стійкості покрівлі у зонах найбільш вірогідних обвалень, повторну оцінку стійкості покрівлі та можливе корегування заходів щодо забезпечення її стійкості.

8. Дано геомеханічне обґрунтування заходів щодо забезпечення стійкості покрівлі очисного вибою, що рухається, у залежності від впливаючих факторів та ступеня ризику, засноване на встановлені рангу рівня значимості заходів. У межах області із максимальним ризиком обвалень слід застосовувати спеціальні заходи по запобіганню можливості обвалень покрівлі. Якість та інтенсивність попереджувальних робіт повинна бути зворотно пропорційною величині критерію стійкості у межах вказаної області.

9. Проведена промислова перевірка розроблених критеріїв та методів прогнозу обвалень покрівлі у привибійному просторі лав для підвищення ефективності комплексно-механізованого виймання вугілля довгими очисними вибоями. Виконаний прогноз стійкості покрівлі 2-ї північної лави пласту k17 ДВАТ “Шахта “Новодонецька” та апробований метод встановлення рангу зон найбільш вірогідних обвалень. Економічний ефект від зниження простоїв очисного вибою із-за ліквідації обвалень породи у привибійному просторі лави склав 143,4 тис. грив.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Шипачев В.К., Козак Ю.А., Панибратченко В.Ф., Иванов И.Е., Пономарев М.А., Красько А.Н. Модифицированная модель для расчета горного давления при отработке свиты пластов // Проблемы горного давления. – Донецк: ДонНТУ. – 2001. – №6. – С. .

2. Назимко В.В., Иванов И.Е., Красько А.Н. Стохастический подход к прогнозу зон обрушений кровли в очистных забоях // Проблемы горного давления – – Донецк: ДонНТУ. – 2002. – №7. – С. .

3. Бугара М.И., Коломиец В.А., Красько А.Н., Пожитько И.И., Сажнев В.П. Параметры разброса прочностных свойств горных пород в массиве // Проблемы горного давления. – Донецк: ДонНТУ. – 2002. – №8. – С .

4. Захаров В.С., Петров В.В., Красько А.Н., Сабынин А.В., Мирумян А.Г., Иванов И.Е. Геомеханический анализ способа охраны основных подготовительных выработок расположением их в зоне разгрузки у центрального целика // Известия ДГИ. – 2002. – №1. – С. .

5. Иванов И.Е., Красько А.Н. Влияние отпора крепи на напряженное состояние кровли в очистном забое // Известия ДГИ. – 2002. – №3. – С. 3-6.

6. Красько Н.И., Иванов И.Е., Красько А.Н. Учет влияния неравномерности отпора крепи на устойчивость кровли в очистных забоях // Геотехническая механика. Днепропетровск: ИГТМ. – 2002. – №34.– С. 187-192.

Особистий внесок здобувача у роботах, що опубліковані у співавторстві, полягає у наступному: у роботі [1] запропоновано враховувати при встановлені стійкості покрівлі стохастичність значення міцності порід у довгих очисних вибоях; у роботі [2] обґрунтовано врахування стохастичності головних параметрів, які встановлюють стійкість покрівлі; у роботі [3] запропоновано враховувати зв’язок між теоретичною та реальною контактною міцністю порід для поповнення бази про розкид міцностних характеристик порід; у роботі [4] обґрунтувано значення розкиду напружень, що діють у гірських породах для розрахунку критерію стійкості порід покрівлі; у статтях [5, ] обґрунтувано значення опору механізованого кріплення, при яких необхідно дослідження напруженого стану покрівлі та встановив зміну його значення.

АНОТАЦІЯ

Красько А.М. “Обґрунтування методики прогнозу стійкості та способів керування покрівлею в очисних вибоях з урахуванням стохастичності впливаючих факторів”. Рукопис.

Дисертацiя на здобуття наукового ступеня кандидата технiчних наук за спецiальнiстю 05.15.11 – “Фізичні процеси гірничого виробництва”, Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2005.

У роботі запропонований підхід до прогнозу зон обвалень у довгих очисних вибоях, що ґрунтується на стохастичній природі факторів, які обумовлюють стійкість покрівлі. Встановлені середньоквадратичні відхилення від найбільш вірогідних значень таких параметрів як міцність порід, опір механізованого кріплення та діючі у масиві напруження. Так, коливання міцності порід зменшуються за мірою підвищення коефіцієнту міцності за проф. Протодьяконовим. Коливання опору механізованого кріплення збільшується по мірі зносу комплексу. Коливання діючих у масиві напружень є приблизно постійними і становлять 6 МПа. Обґрунтований вид критерію стійкості покрівлі. На його підставі розраховується найбільш вірогідне значення критерію стійкості. На підставі значень коливань вхідних параметрів встановлюється коливання значення критерію стійкості. За цими даними окреслюються зони можливого обвалення порід у межах виїмкового стовпа при різній надійності прогнозу. Методика апробована у 2-й північній лаві шахти “Новодонецька”. Економічний ефект склав 143 тис. гривень.

Ключовi слова: очисний вибій, обвалення, стохастичність, середньоквадратичне відхилення.

АННОТАЦИЯ

Красько А.Н. “Обоснование методики прогноза устойчивости и способов управления кровлей в очистных забоях с учетом стохастичности влияющих факторов”. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 – “Физические процессы горного производства”, Национальный горный университет, Днепропетровск, 2005.

В работе предложен подход к прогнозу зон обрушений пород в длинных очистных забоях, который основан на стохастичной природе факторов, обуславливающих устойчивость кровли. Установлены среднеквадратичные отклонения от наиболее вероятных значений таких параметров как прочность пород, отпор механизированной крепи, действующие в горном массиве напряжения. Так, колебания прочности пород уменьшаются по мере повышения их прочности по шкале проф. Протодьяконова. Колебания отпора крепи увеличивается по мере увеличения износа механизированного комплекса. Колебания действующих в массиве напряжений являются примерно постоянными и составляют 6 МПа. Обоснован вид критерия устойчивости кровли. На его основе рассчитывается наиболее вероятное значение критерия устойчивости. Установлено, что величина отклонения критерия устойчивости кровли от его среднего значения уменьшается при увеличении действующих в кровле пласта напряжений, уменьшении прочности пород и неисправных секциях крепи. В этом случае точность определения границ зон обрушений кровли максимальная. С увеличением пороговой величины критерия устойчивости кровли точность определения границы возможных обрушений падает. Так, если критическая величина коэффициента устойчивости кровли составляет единицу, точность оценки границы обрушения при величине горного давления 60 МПа находится в пределах ±0,4, то есть 40%. При величине коэффициента устойчивости 2,0 и 3,0 погрешность оценки границы обрушения равна соответственно 0,85 и 2,3 или 42,5% и 76% при доверительном интервале оценок 95%. По известным колебаниям входных параметров рассчитывается возможное изменение значения критерия устойчивости кровли. Разработан метод построения границ областей возможного обрушения кровли в очистном забое, основанный на оконтуривании трех областей обрушений с разным уровнем риска. Контур области с максимальным значением критерия устойчивости отвечает минимальному риску прогноза, средним и минимальным – умеренному и максимальному рискам прогноза соответственно. Дано геомеханическое обоснование мероприятий по обеспечению устойчивости пород движущегося очистного забоя в зависимости от влияющих факторов и степени риска, основанное на ранжировании уровня мероприятий. В пределах области с максимальным риском обрушений следует применять специальные мероприятия по предотвращению возможности обрушений пород кровли. Качество и плотность предупредительных работ должно быть обратно пропорциональным величине критерия устойчивости в пределах указанной области. В пределах области умеренного риска планируются профилактические работы, имеющие меньшую стоимость и трудоемкость. В большинстве случаев можно ограничиться профилактической проверкой силовых элементов крепей (обратные клапаны, высоконапорная арматура, качество зеркал стоек, исправность маслостанции и т.д.). В зоне минимального риска обрушения достаточно вести специальный контроль обученным персоналом или специалистами маркшейдерско-геологической службы за состоянием кровли и поведением груди забоя и крепи. При возникновении предупредительных признаков (повышение интенсивности отслоения кровли, отжим груди забоя, увеличение конвергенции кровли и почвы, увеличение количества трещин, заколов) ранг зоны повышается, и в ней следует применять профилактические