НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОТЕХНІЧНОЇ МЕХАНІКИ ім. М.С. Полякова

КУКЛІН Володимир Юрійович

УДК [622.83 : 622.28] (043.3)

ГЕОМЕХАНІЧНЕ ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ СПОСОБІВ

КРІПЛЕННЯ ТА ОХОРОНИ ВИРОБОК В НЕСТІЙКИХ

ПОРОДАХ ПРИ ІНТЕНСИВНОМУ ВІДПРАЦЮВАННІ

ПОЛОГИХ ВУГІЛЬНИХ ПЛАСТІВ

05.15.11 – “Фізичні процеси гірничого виробництва”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2004

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 Назімко Віктор Вікторович,

Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і

науки України, завідувач лабораторії, м. Донецьк;

кандидат технічних наук Курносов Анатолій Тимофійович, Інститут

геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України, старший

науковий співробітник, м. Дніпропетровськ

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

м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться "27" лютого 2004 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 "16" січня 2004 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук Перепелиця В.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У сучасних економічних умовах безперебійне і достатнє забезпечення народного господарства України головною енергетичною сировиною – вугіллям можливе тільки шляхом інтенсивного розвитку галузі. Це пояснюється насамперед низьким рівнем капітальних вкладень у будівництво нових і реконструкцію діючих шахт, а також у підготовку, насичення устаткуванням і запровадження в дію нових лав. Виходячи з реальних можливостей галузі, ряд передових шахт збільшили навантаження на очисний вибій чим забезпечили видобуток вугілля з однієї лави в межах 1500-2500 т на добу і більше. Однак інтенсифікація технології видобутку вугілля спровокувала ряд негативних явищ у поводженні геомеханічної системи “вуглепородний масив – гірничі виробки - кріплення і охоронні конструкції”. Зокрема, зросло здимання порід і погіршились умови керування гірським тиском у лаві, збільшились навантаження на кріплення виймальних штреків, частота газодинамічних явищ і вміст метану в рудничній атмосфері. Наявні в даній області науково-практичні наробітки не дають однозначної відповіді, а часто і не пояснюють причин явищ, що відбуваються. З чого випливає необхідність розширення і поглиблення знань про геомеханічні процеси, що протікають у масиві при великих швидкостях посування фронту очисних робіт, особливо в умовах слабких нестійких порід, з наступним обґрунтуванням параметрів способів і засобів ефективного кріплення та охорони гірничих виробок. Тому обґрунтування параметрів способів ефективного кріплення і охорони виробок, яке базується на встановлених особливостях геомеханіки масиву нестійких порід при високих швидкостях посування фронту очисних робіт, 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 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, № 1.3.5.74 “Механіка гірських порід, техніка і технології безпечного видобутку вугілля високонавантаженими лавами” № ДР 0102U006162 і № 1.3.5.59 “Моделювання процесу дезінтеграції породного масиву на базі закономірностей випадкового розвитку фронту його руйнування для створення високоресурсних охоронних систем гірничих виробок” № ДР 0100U001480.

Мета і задачі досліджень.

Мета роботи: на основі вивчення геомеханіки масиву нестійких порід при високих швидкостях посування фронту очисних робіт обґрунтувати параметри способів та засобів ефективного кріплення і охорони гірничих виробок при видобутку вугілля.

Ідея роботи полягає у використанні особливостей протікання геомеханічних процесів у нестійких породах при високих навантаженнях на очисний вибій при обґрунтуванні параметрів способів кріплення та охорони виробок.

Для досягнення мети в роботі сформульовані наступні задачі:

- розробити методику експериментальних досліджень і математичну модель геомеханічних процесів у вуглепородному масиві при інтенсивній технології відпрацювання пластів;

- встановити механізм і закономірності формування напружено-деформованого стану у масиві нестійких порід при високих швидкостях посування фронту очисних робіт;

- виконати геомеханічне обґрунтування параметрів способів і засобів підтримання покрівлі та охорони гірничих виробок при високих навантаженнях на очисний вибій.

Об'єкт досліджень - масив нестійких гірських порід у зоні впливу інтенсивних очисних робіт.

Предмет досліджень – геомеханічні процеси у вуглепородному масиві, способи кріплення та охорони гірничих виробок.

Методи досліджень. У роботі використані методи аналізу і узагальнення відомих розробок в даній області науки і техніки; теоретичні дослідження, що базуються на механіці суцільних середовищ, включаючи механіку гірських порід, теорію пружності і методи опору матеріалів; лабораторні фізико-механічні та шахтні геофізичні і механічні експериментальні дослідження із застосуванням промислових і дослідних зразків апаратури.

Новизна одержаних результатів.

Вперше встановлено закономірності зміни пружних і міцнісних характеристик порід вугільних формацій від швидкості навантаження в об’ємному напружено-деформованому стані.

Подальший розвиток одержали уявлення про закономірності формування напружено-деформованого стану у вуглепородному масиві, зокрема:

- в масиві виділено чотири характерні зони, які розташовані уздовж лінії очисного вибою, симетричні щодо середини лави і являють собою чергування зон підвищених і знижених напружень;

- показано, що при збільшенні навантаження на очисний вибій зменшується імовірність вивалоутворення в покрівлі, збільшуються значення максимуму епюри опорного тиску і тиск на лавове кріплення, активізуються процеси здимання порід у лаві;

- встановлено, що паралельно лінії очисного вибою в покрівлі пласта формується область аномальних напружень, що змінюється в часі, місце розташування і величина якої визначається положенням і швидкістю переміщення робочого органа комбайна;

- показано, що зі зростанням навантаження на очисний вибій зона впливу лави на систему “кріплення-массив” виймальних штреків зменшується, а область бічних порід, підданих конвергенції, збільшується, при цьому характер розподілу тиску в покрівлі має два екстремуми: на сполученні лава-штрек і в зоні посадки покрівлі (коефіцієнт збільшення, відповідно, 3-3,5 і 2,5-3);

- отримано нове рішення задачі визначення критичного кроку посадки покрівлі в лаві, що відрізняється врахуванням шаруватості масиву, його структурної неоднорідності і фактора – швидкість оголення масиву.

На захист виносяться наступні наукові положення.

1. Із зростанням швидкості збільшення тиску в породах вугільних формацій їхня межа міцності на стиск, модуль спаду та залишкова міцність збільшуються за логарифмічним, а модуль пружності зменшується за гіперболічним законами з асимптотичним наближенням до постійних значень, тобто в більшій мірі виявляються крихкі властивості і в меншій – пластичні, що необхідно враховувати при моделюванні характеру руйнування основної покрівлі при великих швидкостях оголення масиву.

2. У нестійких породах при зростанні швидкості посування фронту очисних робіт, у можливому діапазоні її варіювання від 0 до 12 м/добу, відбувається збільшення кроку посадки основної покрівлі з 15-17 до 25-28 м, що провокує підвищення тиску в 1,5-2 рази на лавове кріплення і тангенціальної складової в зоні розсіювання напружень, яка призводить до інтенсифікації процесів здимання підошви в лаві.

3. На ділянці защемлення покрівлі лави (сполученні лави зі штреком) величина навантаження на штрекове кріплення прямо пропорційна потужності основної покрівлі і збільшенню (за рахунок зростання швидкості посування фронту очисних робіт) довжини (Дl) породної консолі, яка нависає над відпрацьованою частиною лави, що обумовлює необхідність посилення штрекового кріплення на ділянці довжиною Дl від сполучення у бік виробленого простору.

Практичне значення одержаних результатів.

Обґрунтовано параметри способів і засобів, що забезпечують ефективне підтримання покрівлі і охорону гірничих виробок у нестійких породах при високих швидкостях посування фронту очисних робіт.

Розроблено нормативно-технічні документи, які регламентують заходи по підсиленню штрекового кріплення при високих навантаженнях на очисний вибій, а також рекомендації по визначенню оптимальних режимів посування лав за геомеханічним фактором.

Результати дисертаційної роботи включено складовою частиною до нормативно-технічних документів “Рекомендації з вибору оптимальних режимів посування лав по геомеханічному фактору в умовах шахт Західного району Донбасу при інтенсивній технології видобутку вугілля” та “Тимчасовий технологічний регламент заходів щодо посилення кріплення виймальних штреків при високих швидкостях посування фронту очисних робіт”, які впроваджено на шахті ім. Героїв Космосу ДХК “Павлоградвугілля” з економічним ефектом 186 тис. грн. за кожний зекономлений місяць відпрацювання виймального стовпа.

Фактичний економічний ефект від використання розробок на шахті ім. Героїв Космосу ДХК “Павлоградвугілля” за 2001-2002 р.р. склав 818,4 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, розроблені методика і проаналізовані результати досліджень, обрано метод аналітичних досліджень. Автор брав безпосередню участь у 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 I Міжнародній конференції “Геотехнічна механіка освоєння надр” (Дніпропетровськ, 1998), IV Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми і перспективи застосування геоінформаційних технологій у гірничій справі” (Дніпропетровськ, 2002), Форумі гірників 2002 “Проблеми і перспективи геотехнологій на початку ІІІ тисячоріччя” (Дніпропетровськ, 2002), Міжнародній науково-практичній конференції “Вугілля-Mining Technologies” (Луганськ, 2003), науково-технічних радах ДХК "Павлоградвугілля" і наукових семінарах ІГТМ НАН України.

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано у 12 працях, 11 з яких у спеціалізованих наукових виданнях, у тому числі 3 самостійних.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 152 найменувань, 2 додатків, містить 169 сторінок машинописного тексту, у тому числі 41 рисунок і 7 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Завдяки роботам, виконаним у провідних наукових школах України, ближнього і далекого зарубіжжя, зокрема, МДГУ, ІГС ім. Скочинського, ВНДМІ, ІГТМ НАНУ, НГУ, ДонВУГІ, КНДВІ, ІГС СВ РАН, С-ПбДГУ, ДонНТУ, ІПКОН РАН і інших установах, у гірській науці накопичено великий обсяг матеріалів теоретичних і експериментальних досліджень геомеханічних процесів, що відбуваються в масиві гірських порід при розробці родовищ корисних копалин. Однак, питанню вивчення напружено-деформованого стану масиву при високих темпах посування фронту очисних робіт належної уваги приділено не було. У той же час аналіз стану питання показав, що надійне й ефективне кріплення гірничих виробок видобувної ділянки з високим навантаженням на очисний вибій можливе шляхом обґрунтування і розробки способів, параметри яких, у першу чергу, повинні враховувати особливості геомеханіки масиву нестійких порід при високих швидкостях його оголення. У цьому зв'язку виникла необхідність додаткового вивчення геомеханічних процесів, що відбуваються у вуглепородному масиві, і адаптації до цих умов способів і засобів ефективного кріплення виробок та керування гірським тиском у лавах.

Рішення сформульованих у дисертації задач виконано за традиційною схемою наукових досліджень: лабораторний і шахтний експеримент, математичне моделювання геомеханічних процесів, обґрунтування параметрів способів і засобів кріплення виробок і керування гірським тиском, впровадження результатів у виробництво.

На перших двох етапах була розроблена методика експериментальних досліджень і математична модель геомеханічних процесів у вуглепородному масиві при інтенсивній технології відпрацювання пластів. Виконане обґрунтування принципів вивчення геомеханічних процесів у системі “масив-виробки-охоронні конструкції” дозволило визначити раціональний комплекс експериментальних методів, необхідних і достатніх для отримання потрібної інформації. Методика експериментальних досліджень геомеханічних процесів, що протікають у вуглепородному масиві при різних швидкостях посування фронту очисних робіт, регламентувала лабораторні випробування порід при варіюванні швидкостями навантаження зразків, а також шахтні дослідження з використанням методів візуальних спостережень, інструментальних механічних і геофізичних вимірювань. Останні включали комплекс з трьох методів: електрометрії, ударно-хвильової діагностики і вимірювання імпульсного електромагнітного випромінювання порід (ІЕМВП).

Лабораторні дослідження в напружено-деформованому стані включали випробування зразків гірських порід вугільних формацій найбільш характерних для родовища Західного району Донбасу літотипів (аргілітів, алевролітів, пісковиків, вугілля). Основна мета досліджень полягала у встановленні закономірностей змін пружних і міцнісних характеристик порід в залежності від швидкості навантаження і деформування зразків. Проведення таких досліджень викликане необхідністю урахування процесів змін фізико-механічних властивостей порід при високих швидкостях оголення вуглепородного масиву, що викликають істотні перерозподіли в напружено-деформованому стані середовища.

Закономірності змін пружних і міцнісних характеристик порід від швидкості навантаження вивчали в режимі керованого деформування в умовах нерівнокомпонентного об'ємного стиску. Як силову установку використовували прес ПСУ-500, жорсткість якого і умови об'ємного стиснення забезпечували стабілометром позаграничного деформування типу БВ-21, розробленим у ВНДМІ і модернізованим в ІГТМ НАН України, що дозволяє в процесі випробувань змінювати, у тому числі і циклічно, бічний тиск на зразок.

Як приклад, у табл. 1 наведені усереднені результати вимірювань на зразках порід, відібраних з пласта С5 шахти “Павлоградська”. Коефіцієнт варіації параметрів не перевищував: для вугілля 7%, пісковиків – 8%, аргілітів 10%, алевролітів – 12%.

За результатами досліджень були зроблені наступні висновки. Зі зростанням швидкості навантаження зразків гірських порід їхня межа міцності на стиск (ст), модуль спаду (М) і залишкова міцність збільшуються за близьким до логарифмічного законом з асимптотичним наближенням до максимального значення, вище якого вплив швидкості перестає позначатися на величині зазначених параметрів. У той же час модуль пружності (Е) матеріалу поводиться діаметрально протилежним чином, зменшуючись з ростом швидкості навантаження і асимптотично наближаючись до мінімального значення за гіперболічним законом. Якщо скористатися критерієм оцінки порід до крихкого руйнування (М/Е 1) чи пластичної текучості (М/Е 1), можна зробити висновок, що зі зростанням швидкості навантаження порід у більшій мірі проявляється їхня крихкість і в меншій мірі - пластичні властивості.

За результатами лабораторних випробувань порід встановлено, що реологічний показник / для порід Західного Донбасу змінюється в діапазоні від 0,08 до 0,6. Відповідно ступінь повзучості змінюється від дуже слабкої до дуже значної. Спостерігається зменшення величини реологічного показника зі збільшенням міцності порід. Ступінь повзучості випробуваних пісковиків - дуже слабка, а аргілітів і алевролітів - середня.

Таблиця 1 – Усереднені результати вимірювань впливу швидкості навантаження зразків гірських порід на їх пружні і міцнісні характеристики

Літотип | Параметр | Швидкість навантаження зразка, МПа/с

0,01 | 0,1 | 0,3 | 0,5 | 1,0 | 5,0 | 10,0

Пісковики | ст, МПа | 26,9 | 28,2 | 31,6 | 32,1 | 34,0 | 34,7 | 35,0

Е, ГПа | 22,4 | 22,0 | 21,6 | 21,2 | 20,8 | 20,6 | 20,5

М, ГПа | 23,6 | 26,0 | 27,9 | 29,6 | 32,2 | 34,8 | 35,7

Вугілля | ст, МПа | 22,6 | 25,1 | 27,2 | 29,8 | 31,0 | 32,2 | 32,5

Е, ГПа | 1,8 | 1,7 | 1,6 | 1,5 | 1,5 | 1,4 | 1,4

М, ГПа | 8,2 | 8,8 | 9,4 | 9,7 | 10,2 | 10,5 | 10,5

Аргіліти | ст, МПа | 7,9 | 8,8 | 9,4 | 10,5 | 11,0 | 11,2 | -

Е, ГПа | 6,2 | 5,9 | 5,7 | 5,5 | 5,4 | 5,4 | -

М, ГПа | 4,3 | 5,1 | 5,6 | 6,1 | 6,9 | 7,5 | -

Алевроліти | ст, МПа | 11,8 | 12,0 | 13,0 | 14,7 | 16,8 | 17,5 | 18,2

Е, ГПа | 11,4 | 11,2 | 11,0 | 10,8 | 10,7 | 10,6 | 10,5

М, ГПа | 10,7 | 11,9 | 13,1 | 14,5 | 16,2 | 17,0 | 17,1

Шахтні дослідження виконувалися в два етапи. На першому здійснювалось обладнання від 7 до 10 спостережних станцій із кроком 20 м, які являють собою мережу реперів, закладених в одній площині, ортогональній напрямку штреку. Першу станцію закладали на відстані не менш 100 м від магістрального штреку. При використанні як точки відліку елементів аркового кріплення крок установки станцій вибирали кратним кроку установки аркового кріплення. Усі репери були контурні, довжиною 0,2–0,4 м, крім реперів, закладених у вугільний пласт, що мали довжину близько 1 м. Для електронного збереження масиву даних з метою можливості оперативного їхнього аналізу, автоматичного сортування, статистичної обробки і побудови графіків залежностей використовувалися можливості програмного продукту “Microsoft Excel”.

Електрометричні дослідження виконували по вугільному пласту приладом ШИИС-3М1 за симетричною чотирьохелектродною схемою з застосуванням варіантів повздовжнього і шпурового профілювання. Інтерпретацію графічної залежності зміни питомого електроопору уздовж профілю виконували з урахуванням наступних факторів: в областях підвищеної тріщинуватості електроопір збільшується; на ділянках підвищених напружень у породному масиві і у зонах підвищеної геофільтрації електроопір зменшується.

При реалізації методу ІЕМВП реєструвалася магнітна складова поля приладом ДЕМОН. Як об'єкт для реєстрації випромінювання був обраний вугільний пласт. При цьому прилад розташовували приблизно по його центру на відстані близько 0,3 м. Для зручності аналізу даних комплексу вимірювань, визначення інтенсивності випромінювання виконували в тих же перерізах виробок, що і вимірювання електроопору.

Метод ударно-хвильової діагностики, який базується на ударному збудженні коливань аркового кріплення і реєстрації амплітуди його власних коливань у визначеному діапазоні частот, реалізовувався за допомогою приладу АВКІ і використовувався для оцінки збільшення тиску на штрекове кріплення. Ділянки діагностики і виміру конвергенції порід співпадали.

Для згладжування тимчасової і просторової нестабільності в кожній точці контролю виконували до 6 вимірювань при прямому і зворотному переміщенні профілю, а результати вимірювань усереднювали.

Контроль тиску в гідросистемах лавового кріплення виконували за двома схемами спостережень. За першою - вимірювали тиск у гідросистемі п'яти секцій механізованого кріплення, розташованих по одній, відповідно, у центрі лави, на відстані 20 м і 40 м від сполучень лава-штрек. Друга - передбачала обладнання самописними манометрами 2-3-х суміжних секцій механізованого кріплення, розташованих у середній частині лави. Час розгорнення реєстраторів у першому випадку синхронізували зі швидкістю переміщення робочого органа комбайна, а в другому – зі швидкістю посування фронту очисних робіт.

За результатами шахтних експериментальних досліджень встановлено наступне.

1. При збільшенні навантаження на очисний вибій майже в два рази імовірність вивалоутворення в покрівлі зменшується приблизно в 1,6 рази при збереженні характеру розподілу по довжині лави. Максимальна кількість вивалів спостерігається поблизу зони сполучення лава-штрек (більше з боку відкаточного штреку), а також по обидва боки лави на відстані, яка дорівнює 0,15-0,2 її довжини, що пояснюється наявністю поблизу сполучення зони підвищеної концентрації напружень, а також зняттям стійки та ослабленням штрекового кріплення при кожному переміщенні комбайна.

2. У вуглепородному масиві виділено чотири характерні зони, розташовані уздовж лінії очисного вибою і симетричні щодо середини лави. Перша – зона підвищених напружень, примикає до сполучення лава-штрек. Друга – зона знижених напружень (розвантаження), розташована в інтервалі 20-30 м від сполучення. Третя – внутрішня зона підвищених напружень, розташована в інтервалі 30-45 м від сполучення лава-штрек. Четверта – зона стабілізації, охоплює середню частину лави (від 45 м до середини). Таке чергування зон аномальних напружень підтверджує відомий двоекстремумний знакоперемінний характер формування напружено-деформованих зон поблизу оголень гірського масиву, обумовлений, в основному, масштабами оголення масиву і фізико-механічними властивостями порід, що складають масив.

3. Проведення очисних робіт формує в масиві біля вибою зону опорного тиску. Причому при однотипних гірничо-геологічних умовах параметри цієї зони залежать від швидкості оголення масиву: з її збільшенням абсолютна величина напружень у зоні опорного тиску зростає, межі зони окреслюються чіткіше, ділянка розмиву стає вужчою. Помітної зміни положення максимуму зони опорного тиску стосовно лінії очисного вибою встановлено не було.

4. Паралельно лінії очисного вибою в покрівлі пласта формується область

аномальних напружень, що змінюється в часі, місце розташування якої визначається положенням, а величина збільшення тиску - швидкістю переміщення робочого органа комбайна. Причому максимально можливим швидкостям відповідає збільшення тиску на 18-23%.

5. Збільшення навантаження на очисний вибій і, відповідно, швидкості переміщення фронту очисних робіт, у дослідженому діапазоні варіацій (від 0 до 10,8 м/добу), викликає зростання тиску в гідросистемі механізованого кріплення по близькому до лінійного закону.

Аналіз і порівняння матеріалів досліджень, отриманих на ділянках лав з інтенсивною технологією видобутку вугілля, з даними аналогічних досліджень, виконаних на ділянках виймальних стовпів із середнім навантаженням на очисний вибій до 700 т/добу, дозволили зробити наступні висновки.

Із зростанням навантаження на очисний вибій:

1) зона впливу лави на характер і величину взаємодії у системі “кріплення-массив” виймальних штреків зменшується і складає для штреків, які закладені в цілику, 70-90 м, а проведених “вприсічку” – 60-70 м;

2) область максимальної конвергенції для порід покрівлі і боків з боку діючої лави збільшується і складає 45 м (від +15 до –30 м), тобто від моменту підходу лави на відстань 15 м і до посадки основної покрівлі;

3) абсолютна величина конвергенції зменшується, однак, в основному за рахунок зменшення здимання порід підошви;

4) по мірі наближення до фронту очисних робіт, починаючи з 40-45 м, тиск на штрекове кріплення у покрівлі поступово зростає і досягає, на відміну від середньонавантажених лав, двох максимальних значень: на сполученні лава-штрек і перед посадкою покрівлі (-20-30 м);

5) розрахунковий коефіцієнт збільшення тиску в другій точці максимуму практично не залежить від швидкості посування лави і досягає значення 2,5-3,0;

6) тиск на штрекове кріплення в зоні сполучення з лавою при збільшенні навантаження на очисний вибій зростає за законом, аналогічним тому, що описує залежність межі міцності і модуля спаду порід від швидкості навантаження зразків, і досягає значень 2,5-3;

7) при середній кількості підривань підошви у процесі відпрацювання виймального стовпа – 3-4, зі збільшенням навантаження на очисний вибій у 2-2,5 рази необхідна кількість підривань зменшується, у середньому, до двох.

Установлені закономірності підтвердили однозначність трактування особливостей процесів формування напружено-деформованих зон у лавовій частині вуглепородного масиву явищами утворення породних консолей основної покрівлі.

Математичне моделювання геомеханічних процесів у вуглепородному масиві виконано з урахуванням швидкості посування фронту очисних робіт. При цьому були вирішені три автономних задачі, в результаті чого отримані вирази: для оцінки довжини консолі основної покрівлі в трансверсально-ізотропному масиві, критичного кроку її посадки при різних умовах залягання пласта і міцності порід, а також оцінена величина привантаження кріплення сполучення, що провокується збільшенням швидкості посування лави. При розв’язанні аналітичних задач використовувалися фундаментальні положення механіки суцільних середовищ і, зокрема, механіки масиву гірських порід.

Для довжини консолі основної покрівлі (l0) отримано:

, (1)

де 2h – потужність вугільного пласта; – коефіцієнт бічного підпору; H – глибина залягання пласта; – густина порід масиву; Vл – швидкість посування очисного вибою;i – пружні параметри середовища.

Для критичного кроку обвалення основної покрівлі (lш ) (фактично – збільшення кроку обвалення стосовно статичного, тобто коли Vл = 0) отримано:

, (2)

де – об'ємна вага порід; р – межа міцності гірських порід на розтягання; hк, hі – потужності основної покрівлі та шарів масиву; t – час посування лави.

Величина привантаження штрекового кріплення в зоні сполучення з лавою визначається виразом:

, (3)

де Дl - збільшення довжини консолі покрівлі; L - довжина лави; н – коефіцієнт Пуассона порід покрівлі.

Графічне представлення результатів моделювання наведено на рис. 1-2.

З результатів аналітичних досліджень випливає, що:

- у трансверсально-ізотропному масиві гірських порід довжина консолі, що нависає над виробленим простором лави, прямо пропорційна її потужності і модулю пружності порід, зворотно пропорційна глибині гірничих робіт і ступеню неоднорідності масиву і зростає по близькому до лінійного закону при збільшенні швидкості посування очисного вибою;

- величина критичного кроку посадки покрівлі збільшується з ростом межі міцності гірських порід на розтяг по параболічному закону і зростає зі збільшенням кута залягання пласта, що відпрацьовується;

- збільшення навантаження на ділянці защемлення покрівлі лави (сполученні лава-штрек) прямо пропорційно потужності покрівлі, збільшенню довжини вільно нависаючої консолі покрівлі і швидкості посування очисного вибою;

- із збільшенням часу відпрацювання в приконтурній області очисного вибою спостерігається зменшення модуля Юнга, а також зростання коефіцієнта Пуассона і, отже, ступеня порушеності породного масиву.

Аналіз результатів експериментальних і теоретичних досліджень дозволили таким чином описати механізм і закономірності формування напружено-деформованого стану масиву нестійких порід при високих швидкостях посування фронту очисних робіт.

Із зростанням швидкості посування фронту очисних робіт відбувається збільшення довжини консолі порід (кроку посадки) основної покрівлі, що нависає над виробленою частиною лави і спирається по ширині – на лавове кріплення та область масиву, розташовану уздовж лінії очисного вибою, а краями по довжині – на кріплення й охоронні конструкції виймальних штреків. Причина збільшення довжини консолі полягає, по-перше, у запізнюванні процесів релаксації напружень і деформацій стосовно швидкості оголення масиву, по-друге, у збільшенні міцності порід і придбанні ними крихких властивостей, обумовлених зростанням швидкості навантаження крайових частин породної консолі. У свою чергу, збільшення довжини породної консолі призводить до підвищення тиску на механізоване лавове кріплення, особливо його задню стійку, і крайову частину вугільного пласта. Зростання концентрації напружень у крайовій частині вугільного пласта провокує збільшення зони розсіювання напружень і значень розтяжних напружень у підошві в області проекції лінії очисного вибою. Спільна дія розтяжних напружень і тиску на підошву механізованого лавового кріплення призводить до здимання і розривів ділянки підошви, розташованої між кріпленням і лінією очисного вибою. Інші процеси відбуваються в крайовій частині породної консолі, що спирається на виймальні штреки і їхні охоронні конструкції. Збільшення довжини консолі на величину Дl призводить до росту тиску на штрекове кріплення (у порівнянні з умовами, характерними для традиційних швидкостей посування лави) на ділянці від сполучення лава-штрек довжиною Дl убік відпрацьованої частини виймального стовпа. Причому основні негативні явища відбуваються в секторі перерізу штреку, що примикає до діючої лави і складає близько 900. Якщо уявити механізм здимання підошви в штреку як результат спільних дій процесу вивільнення потенціальної енергії і тангенціальних складових напружень у бермовій частині штреку, то, в силу невідповідності часів оголення масиву і релаксаційних процесів (запізнювання останніх), а також відсутності (до посадки покрівлі) тиску на бермову частину штреку і, відповідно розтяжних напружень, здимання підошви в штреку зі збільшенням швидкості посування лави помітно зменшиться.

Для оптимізації геомеханічних процесів, при збільшенні швидкості посування фронту очисних робіт, технологічні заходи повинні бути спрямовані або на зменшення кроку посадки основної покрівлі до традиційних значень, що складають 15-20 м, або на зниження впливу консолі на напружено-деформований стан масиву, або на зміну силових параметрів лавового і штрекового кріплень, особливо в зоні сполучень лава-штрек. З цих міркувань було виконано геомеханічне обґрунтування параметрів способів і засобів підтримання покрівлі й охорони гірничих виробок при високих навантаженнях на очисний вибій.

Реалізація першого шляху може бути забезпечена наступними технологічними заходами: примусовим обваленням покрівлі з заданим кроком посадки, викладенням бутових смуг перпендикулярно лінії очисного вибою, викладенням “кострів” паралельно лінії очисного вибою, використанням спеціального технологічного режиму роботи видобувної ділянки, який сприяє процесу зменшення кроку обвалення покрівлі.

Перший захід рекомендується для шахт безпечних по газу і пилу та реалізується контурним підриванням за методикою попереднього щілиноутворення. Для цього через кожні 15-20 м посування лави в основну покрівлю бурять шпури, закладають і підривають ВР, забезпечуючи в такий спосіб умови для примусової посадки покрівлі з обраним кроком. У паспорті буропідривних робіт повинні бути прийняті наступні параметри: діаметр шпуру 40-42 мм; глибина шпуру 1,6-1,8 м; відстань між шпурами – виходячи із ширини секції механізованого кріплення (~1 м); маса ВР – 0,2 кг; тип ВР – рекомендований для підземних гірничих робіт діаметром до 36 мм; конструкція заряду – з осьовим чи радіальним зазором.

Плавне опускання основної покрівлі і зменшення ефективної довжини породної консолі може бути досягнуто викладенням бутових смуг ортогонально лінії очисних робіт слідом за посуванням лави. Матеріал для зведення смуг доцільно брати з бутових штреків, проведених по їх осі. Необхідний переріз штреку вибирається за умов повної забутовки. Мінімальна кількість смуг (N) розраховується з довжини лави (L) і припустимої довжини породної консолі (l) по формулі: N = L/2l + 1.

При відсутності безпосередньої покрівлі рекомендовано спосіб керування покрівлею шляхом викладення “кострів” чи пробиванням органного кріплення за механізованим лавовим. Крок викладення “кострів” повинний складати не більш 2 м, а відстань між лініями зведення – 15-20 м. Оптимальна відстань розраховується з технологічного циклу роботи видобувної ділянки, з умовою, щоб зведення кріплення здійснювалося в ремонтну зміну один раз у 2-3 доби в залежності від швидкості посування лави, але не перевищувала б 20 м.

Ідея способу зменшення кроку обвалення покрівлі полягає у використанні технологічного циклу ремонтної зміни, що плаває, і збільшенні її тривалості у 1,5 рази. При цьому процес видобутку триває на протязі 4,5 змін. Такі заходи на протязі одного циклу, по-перше, утворюють консоль довжиною близько 20 м, по-друге, дозволяють розвинутись процесам релаксації, які викликають обвалення покрівлі.

Ще одним способом керування довжиною консолі може бути використання непостійного ритму швидкості посування лави, що не допускає збільшення довжини вище оптимального значення та, відповідно, тиску в гідросистемі лавового кріплення.

В усіх випадках необхідно керуватися економічною доцільністю проведення тих чи інших технологічних заходів. При цьому варто мати на увазі, що збільшення навантаження на очисний вибій на 10 % забезпечує скорочення умовно-постійних витрат на суму близько 200 тис. грн.

Якщо при зростанні навантаження на очисний вибій проблема підтримання виймальних штреків у задовільному стані вирішується позитивно без залучення яких-небудь нетрадиційних технологій, забезпечити нормальні геомеханічні умови роботи лави можна шляхом зміни силових характеристик механізованого кріплення. З огляду на те, що більшість шахт Західного Донбасу користуються комплексами КД 80, які мають максимальний питомий робочий опір 480 кН/м2, а фактичний робочий – 350-380 кН/м2, частково проблему можна вирішити шляхом перерозподілу тиску в гідросистемах передньої і задньої стійок кріплення, зокрема, збільшивши тиск у задній стійці на 15-20 %. Таке рішення забезпечить вирівнювання кріплення, підвищить його несучу здатність і, крім того, зменшить складову тиску, що провокує здимання порід підошви в лаві.

Посилення штрекового кріплення при високих швидкостях посування лави досягається шляхом поліпшення способів з'єднання елементів кріплення і заповнення закріпного простору, удосконалення елементів міжрамних зв'язків і огороджень (затягувань), зведення анкерного кріплення довжиною 1,8-2,5 м. А на сполученнях штрек-лава - шляхом удосконалення елементів для підхоплення верхняків рам кріплення, розробкою кріплення, що забезпечує підхоплення штрекового кріплення незалежно від пересування приводу лавового конвеєра, використання анкерів для зміцнення покрівлі пласта в зоні сполучення і кріплення верхняків аркового кріплення.

У випадку використання аркових кріплень компромісне рішення по їхньому посиленню забезпечується використанням анкерних стяжних (АСК) і анкерних натяжних (АНК) кріплень. Відмінна риса механізму роботи яких полягає в тому, що крім механізму взаємодії, характерного для анкерного кріплення, таке кріплення створює в масиві гірських порід додаткові напруження, характерні для ферми, що складається з трикутних елементів. Досягається це тим, що після установки елементи кріплення працюють на розтягання, а породи покрівлі – на стиск. Горизонтальні стискальні зусилля, що створюються в покрівлі, включають у роботу породні шари, перешкоджаючи, таким чином, деформаціям і обваленням покрівлі. Крім того, зазначені кріплення відіграють роль підтримуючих конструкцій, які перешкоджають завалам аркового кріплення при знятті однієї з його стійок. Виходячи з досвіду застосування анкерів з хімічним закріпленням, довжина анкера в АНК і АСК прийнята - 2,4 м, довжина стяжки, при кроці основного кріплення 0,8 м і умові підхоплення двох верхняків рам, - 2,1 м. Кут нахилу анкера убік лави, яка відпрацьовується, прийнято близько 600, що забезпечує підхоплення анкерним кріпленням верхняків КШПУ під кутом близьким до 900. Кут нахилу анкера по довжині штреку, виходячи з результатів досліджень, виконаних у ІГТМ НАН України, прийнято 45-500, а відстань від замка КШПУ до анкера - 200 мм. Кріплення встановлюються при проведенні виймальних штреків або на відстані 40-50 м до підходу фронту очисних робіт.

За результатами комплексних досліджень геомеханічних процесів у вуглепородному масиві виділено чотири основних параметри, величина яких обумовлена швидкістю оголення масиву, що мають найбільш істотний вплив на технологічні процеси (за ступенем важливості): зміна тиску на лавове механізоване кріплення (Д?мк), зміна тиску на штрекове кріплення в зоні сполучення (Д?ш), зміни величин здимання порід підошви ґрунту в штреку і лаві на ділянці від лінії вибою до механізованого кріплення, які характеризуються необхідним для забезпечення технологічних процесів кількістю підривань (Nш, Nл).

Для розрахунку граничних швидкостей посування фронту очисних робіт побудована номограма (рис. 3), що охоплює більш 50% гірничо-геологічних умов, характерних для шахт Західного району Донбасу.

Рис. 3. Номограма для визначення граничної швидкості посування лави (без використання спеціальних заходів) по критерію “тиск на лавове кріплення” при потужності основної покрівлі (hк): 1 – 8 м; 2 – 6 м; 3 – 4 м і межі міцності порід покрівлі на розтягування (ур): 4 - > 2 МПа; 5 – 1-2 МПа; 6 - < 1 МПа

Досвід використання розроблених технологічних заходів показав, що їхнє впровадження дозволяє скоротити тривалість відпрацювання виймального стовпа в середньому на 2 місяці, що істотно знижує умовно-постійні витрати підприємства на забезпечення функціонування видобувної ділянки.

Обґрунтованість і достовірність положень, висновків і рекомендацій дисертаційної роботи забезпечується: використанням фундаментальних положень механіки суцільних середовищ; достатнім обсягом шахтних і лабораторних експериментальних досліджень, виконаних апробованими методами контролю (відносна похибка не більш 15 % при умові досягнення вірогідності 0,9-0,95), застосуванням стандартних засобів вимірювань 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, у якій отримано нове рішення актуальної науково-прикладної задачі підвищення ефективності підтримання гірничих виробок при інтенсивному відпрацюванні пологих вугільних пластів шляхом обґрунтування параметрів способів їх кріплення і охорони, яке базується на встановлених особливостях геомеханіки масиву нестійких порід при високих швидкостях посування фронту очисних робіт, що має важливе значення для вуглевидобувної галузі.

Основні наукові і практичні результати роботи полягають у наступному.

1. Аналіз стану питання показав, що надійне і ефективне кріплення виробок видобувної ділянки з високим навантаженням на очисний вибій можливе шляхом обгрунтування та розробки способів, параметри яких, в першу чергу. повинні враховувати особливості геомеханіки масиву нестійких порід при високих швидкостях його оголення.

2. Лабораторними дослідженнями встановлено, що зі зростанням швидкості приросту тиску в породах вугільних формацій їх межа міцності на стиск, модуль спаду і залишкова міцність збільшуються за логарифмічним, а модуль пружності зменшується за гіперболічним законами з асимптотичним наближенням до постійних значень, тобто в більшій мірі проявляються крихкі властивості і в меншій – пластичні

3. Методами шахтних експериментальних досліджень, які включали візуальні спостереження, інструментальні механічні і геофізичні вимірювання, у вуглепородному масиві виділено чотири зони, розташовані уздовж лінії очисного вибою, симетричні щодо середини лави і які являють собою чергування зон аномальних напружень, що характеризуються областями підвищеної чи зниженої (у порівнянні із середньостатистичними) тріщинуватості, причому перша зона підвищених напружень примикає до сполучення лава-штрек, а друга – розташована від нього на відстані 0,2-0,25 довжини лави. Крім того встановлено, що при збільшенні навантаження на очисний вибій:

- пропорційно зменшуються імовірність вивалоутворення в покрівлі лави і процеси здимання підошви виймального штреку;

- збільшуються значення максимуму епюри опорного тиску і тиск на лавове кріплення, активізуються процеси здимання порід у лаві на ділянці від механізованого кріплення до лінії очисного вибою, зокрема, паралельно лінії очисного вибою в покрівлі пласта формується область аномальних напружень, що змінюється в часі, місце розташування і величина якої визначаються положенням і швидкістю переміщення робочого органа комбайна;

- зона впливу лави на систему “кріплення-масив” виймальних штреків зменшується, а область бічних порід, що піддані конвергенції, збільшується, при цьому характер розподілу тиску в покрівлі має два екстремуми: на сполученні лава-штрек (коефіцієнт збільшення 3-3,5) і в зоні посадки покрівлі (коефіцієнт збільшення 2,5-3).

4. Аналітичними методами:

- отримано нове рішення задачі визначення критичного кроку посадки покрівлі в лаві, що відрізняється врахуванням