Національна академія наук України

Міністерство вугільної промисловості України

Відділення фізико-технічних гірничих проблем Донецького фізико-технічного інституту

ім. О.О. Галкіна

Бугара Михайло Іванович

УДК 622.273

ГЕОМЕХАНІЧНЕ ОБГРУНТУВАННЯ РАЦІОНАЛЬНИХ ТЕХНОЛОГІЧНИХ СХЕМ ВІДРОБКИ КІНЦЕВИХ ДІЛЬНИЦЬ ВИЙОМОЧНИХ СТОВПІВ НА ІНТЕНСИВНО ПОРУШЕНИХ ДІЛЬНИЦЯХ ШАХТНИХ ПОЛІВ

Спеціальність: 05.15.02. - Підземна розробка родовищ
корисних копалин

Автореферат дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук

Донецьк – 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота зроблена у Державній холдинговій компанії “Донвугілля”, Міністерства вугільної промисловості України

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, професор,

Александров Сергій Миколайович

Донецький Державний технічний університет, проректор

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор,

Бондаренко Юрій Васильович

Донецький Державний технічний університет, декан.

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Кузьменко Миколай Семенович

Відділення фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАН України та Мінвуглепрому

Провідна організація:

Донецький вугільний інститут (ДонВУГІ), відділ кріплення

Захист дисертації відбудеться “22” липня 1999 р. у 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К.11.184.02 у Відділені фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАН України за адресою: 340114, м. Донецьк, вул. Рози Люксембург, 72

С дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Відділення фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАН України за адресою: 340114, м. Донецьк, вул. Рози Люксембург, 72.

Автореферат розісланий “19”червня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К.11.184.02

канд. техн. наук Піталенко Є.І.

ЗАГАЛЬНА ХАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. У порушених шахтних полях регулярне планування гірничих робіт зв’язане з певними труднощами. Це виникає тому, що орієнтація кордонів шахтних полів звично прив’язується до геологічних порушень. У той же час орієнтування підготовлюючих виробок прив’язується до елементів залягання пласту, таких як простягання або падіння. Різниця у орієнтації виїмкових стовпів та підготовлюючих виробок примушує залишати біля останніх вугільні цілики різної неправильної форми (трикутникової, трапецієвидної та інші). Відробити у майбутньому ці цілики прогнозується заважким із-за їхньої неправильної форми. Як результат втрачається до 20% підготовлених запасів. Самі цілики є концентраторами гірського тиску. Звідси виникають додаткові проблеми: погіршення стану покрівлі очисних вибоїв при їх роботі у безпосередній близькості у підготовлюючих виробок; погіршення стану самих підготовлюючих виробок. Таким чином, проблема ціликів неправильної форми у підготовлюючих виробок складна та багатогранна. Вирішення питання, щодо раціонального з точки зору геомеханіки повного або часткового їх виймання, із врахуванням вказаних проблем, є важлива науково-прикладна задача.

Існує багато варіантів планування гірничих робіт при доробці кінцевих частин виїмкових стовпів та дільниць у порушених копалинах. Однак аналіз науково-технічної літератури засвідчив, що ніхто не аналізував ці планування з геомеханічної точки зору. Взагалі розроблена тактика розвороту комплексів, хоч їхні параметри ніяк не прив’язані до проявів гірського тиску. Відомо, що у процесі формування цілика підвищується у його околі рівень концентрації гірського тиску. Однак кількісні характеристики і їхня залежність від конкретного планування та його параметрів не досліджувалися. Разом з цим, як засвідчує практика, прояви гірського тиску при доопрацюванні крайових частин виїмкових дільниць змінюються у кілька разів у залежності від планування що застосовується та його параметрів.

Зв`язок дисертації з планами наукової роботи. Дослідження, що викладені у дисертаційній роботі, були проведені автором при практичній діяльності на шахті та скоординовані з виконанням науково-дослідницьких робіт, що виконуються у ДонДТУ, й присвячені вивченню геомеханічного стану покрівлі у очисному вибої при відробленні пластів у слабких бокових породах (номер держреєстрації теми 0198U002310).

Метою роботи є обгрунтування раціональних технологічних схем відробки кінцевих частин виїмкових стовпів на сильно порушених частинах шахтних полів.

Ідея роботи складається у врахуванні комплексу взаємовпливових геомеханічних, технологічних та економічних факторів, що визначають ефективність виймання запасів у складних умовах планування гірничих робіт при відробці частин виїмкових стовпів, що безпосередньо примикають до підготовлюючих виробок.

Задача досліджень: 1) Виділити основні варіанти планування гірничих робіт при доробці крайових частин виїмкових полів у порушених копалинах та провести їхній геомеханічний аналіз з точки зору перерозподілу гірського тиску. 2) Розробити комплексний критерій оцінки раціональності доробки крайових частин виїмкових дільниць, який одночасно враховував би а) втрати підготовлених запасів, б) стан покрівлі у очисних вибоях та в) стан підготовлюючих виробок. 3) Провести промислову перевірку раціональних варіантів доробки кінцевих частин виїмкових дільниць у порушених шахтних полях та зробити їх техніко-економічну оцінку.

Методика досліджень. Для досягнення поставленої цілі використаний комплексний науковий підхід із застосуванням наступних методів: дослідження проявів гірничого тиску у натурних умовах за допомогою комплексних спостережницьких станцій та гідравлічних датчиків, комп’ютерне моделювання розподілу напружень у масиві гірських порід, математична обробка результатів моделювання та економічний аналіз варіантів.

Наукова новизна результатів дисертації полягає у наступному:

1. Встановлені закономірності зміни напруженого стану гірничого масиву при доробці кінцевих частин виїмкових дільниць, які відрізняються тим, що середні значення коефіцієнту концентрації напружень попереду лави за мірою її посування змінюються від 1,64 при відході поодинокої лави верхнього пласту від кордону виїмкового стовпа до 3,15 при накатуванні лави, що примикає до раніше виробленого простору з розгорненням на кордон регіональної зони розвантаження. При цьому середній кінцевий приріст коефіцієнту концентрації напружень у зоні підтримання підготовлюючих виробок змінюється від 0,01 при відході поодинокої лави верхнього пласта до 0,35 при фронтальній надробці лавою що примикає до виробленого простору з малим відходом від осі підготовлюючих виробок.

2. На основі зіставлення діючих напружень у покрівлі з її міцністю уперше показано, що кращий критерій стійкості покрівлі у очисній виробці (2,19) спостерігається при фронтальній надробці виробок поодинокою лавою з малим відходом від розрізної печі та при відході поодинокої лави верхнього пласту (1,83). Варіанти відходу лав дають кращі показники стійкості покрівлі, ніж варіанти накатів лав.

3. Вперше розроблений комплексний критерій, що узагальнює три самостійні компоненти: повноти виймання крайової частини виїмкової дільниці, стійкості покрівлі у очисному вибої та стійкості підготовлюючих виробок. Цей критерій використовується для оцінки технології відробки ціликів та кінцевих частин виїмкових стовпів та полів при вільній орієнтації їх кордонів. Найбільш кращими варіантами за комплексним критерієм слід визнати у групі ведення робіт на одному пласті – варіанти відходу лав з розгортанням та варіанти роботи поодинокими лавами. У групі ведення робіт на суміжних пластах кращими за комплексним критерієм є варіанти фронтальної надробки лавою у любому напрямі.

4. Встановлена особливість співвідношення часткових критеріїв раціональності доробки кінцевих виїмкових дільниць, що відрізняється їхньою суперечністю та складним взаємосполученням, коли при високому значенні комплексного критерію (більше 60-70%) окремі складові його можуть мати величину нижче 50%. Тому вибір раціонального варіанту повинен вироблятися з урахуванням конкретної ситуації, включаючи економічну доцільність. Встановлені зв’язки між окремими та комплексним критеріями раціональності призначені для оперативного рішення цієї проблеми.

Обгрунтованість та достовірність основних результатів роботи підтверджена інструментальними спостереженнями за станом покрівлі у очисних вибоях та станом гірничих виробок у натурних умовах, позитивними результатами застосування рекомендацій на шахтах ДХК “Донвугілля” та задовільною збіжністю розрахованих різними методиками напружень (проявів гірського тиску) з шахтними спостереженнями у межах 25%.

Практичне значення здобутих результатів міститься у встановлені величини комплексного критерію раціональності відробки кінцевих частин виїмкових дільниць та його складових частин, застосованих для обгрунтування раціональних планувань ведення гірничих робіт при відробці порушених шахтних полів.

Реалізація висновків та рекомендацій роботи впроваджена на шахті “Південно-Донбаська №1” у два етапи: 1) при ступінчатій доробці виїмкового стовпа 19-ї західної лави пласта с11 для більш повного видобування вугілля у підготовлюючих виробок з збереженням стійкості останніх; 2) при надробці східних польових штреків горизонту 480 м 51-ю східною лавою. В обох випадках проваджене видобування частково (перший випадок) або повністю (другий) ціликів, які були призначені спочатку для охорони підготовлюючих виробок, з збереженням стійкості останніх.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи обговорювалися та отримали підтримку на міжнародній конференції по геомеханіці “Ground Control in Mining” (Golden Colorado, США, 1996), міжнародному симпозіумі “Тиждень гірника 98, 99” (Москва, 1998, 1999), міжнародній науково-практичній конференції “Гірничі промисловість та наука на початку III тисячоліття” (Алчевськ, 1999). Окрім того, окремі положення роботи доповідалися на засіданнях науково-технічних рад ДХК “Донвугілля” та “Павлоградвугілля”, вченій раді ДГІ, а також на щорічних наукових конференціях ДонДТУ по розгляду закінчених науково-дослідницьких робіт.

Публікації основних положень дисертації впроваджені у 6-х статях спеціалізованих наукових журналів.

Структура роботи: дисертація містить вступ, висновки, 5 розділів, 3 додатки. Приведена у формі рукопису на 186 стор. тексту й вміщує 51 рисунок на 45 стор., 8 таблиць на 20 стор. та 27 стор. додатків, а також список використаних джерел з 124 найменувань.

Автор висловлює подяку професору Назимко Є.І. за консультації та допомогу при написанні дисертації та проведенні комп'ютерного моделювання розподілу гірського тиску, а також інженеру Іванову І.Є. за допомогу у проведенні шахтних інструментальних спостережень та обробці результатів. Автор висловлює також глибоку вдячність інженерно-технічному персоналу шахти "Південно-Донбаська №1" за сприяння при впровадженні результатів досліджень.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У порушених шахтних полях правильне планування очисних робіт проваджувати дуже важко із-за різної орієнтації підготовлюючих виробок та кордонів шахтних полів (або їх частин). Тому очисні вибої підходять до головних виробок не під прямим кутом. При доробці таких виїмкових стовпів біля підготовлюючих виробок залишаються охоронні цілики неправильної форми (трикутникової, трапецієвидної та іншої). У цих ціликах втрачаються значні запаси вугілля. Окрім цього цілики є концентраторами гірського тиску, який у свою чергу приводить до погіршення стану покрівлі у очисних вибоях. Завдяки цьому вiдбувається підвищення вивалоутворення у очисному вибої, підвищення травматизму, зниження швидкості посування очисного вибою та загальне зниження продуктивності праці, а також необгрунтовано залишається вугілля у ціликах.

Для вирішення проблеми нестикування виїмкових стовпів та підготовлюючих виробок використовують різні нетрадиційні способи роботи комплексів. Проведений аналіз наукової літератури засвідчив, що найбільше розповсюдження здобули: розгортання комплексу на 180, поворот комплексу на визначений кут, ступінчате скорочення та нарощування лави. Вони застосовуються не тільки у країнах СНД, але й також за кордоном. Але у процесі доробки кінцевих частин виїмкових стовпів виникає комплекс суперечних проблем, які заважають вибору раціонального варіанту доробки. Так з точки зору повноти виймання запасів слід прагнути доробити виїмкову дільницю повністю. Однак це суперечить геомеханічним вимогам, згідно з якими потрібно забезпечити стійкість покрівлі у очисних вибоях та стійкість підготовлюючих виробок. Одною з найважливіших є проблема стійкості покрівлі у очисному вибої. Зроблений огляд наукової та технічної літератури засвідчив, що на стійкість покрівлі впливає багато факторів. Їх вивченню присвячено багато робіт таких інститутів, як ІГС ім. Скочинського, ДонДТУ, НГАУ, МДГУ, ЛДГУ, СДГУ та інші.

Відмічається, що при роботі лав у підготовлюючих виробок геомеханічна система знаходиться у складному напруженому стані, який ніхто окремо не розглядав. У зв’язку з цим було вирішено провести дослідження напруженого стану гірських порід, виробити критерії які: 1) найбільш повно характеризували стійкість покрівлі у очисному вибої при роботі останнього у підготовлюючих виробок; 2) висвітлювали раціональність ведення робіт з точки зору стійкості підготовлюючих виробок та 3) враховували доцільність залишення вугілля у ціликах.

Для вирішення цого комплексу проблем потрібно знати реальний напружений стан масиву. Для його вивчення було обране комп’ютерне моделювання на основі алгоритмів М.П. Зборщика та К. Sinha, достовірність яких перевірена при захисті докторських дисертацій та яким притаманна добра збіжність з натурними спостереженнями.

У результаті аналізу можливих, а також таких, які часто застосовуються у практиці, схем доробки кінцевих дільниць, були виділені 16 типових варіантів планування гірничих робіт (рис. 1). Така їх велика кількість обумовлена різними способами відробки кінцевих частин виїмкових стовпів у підготовлюючих виробок, що пройдені вслід за розвантажувальною лавою. Вони були узагальнені та згруповані наступним чином. Перші чотири пов’язані з розгортанням лави для адаптації до неперпендикулярного взаєморозташування підготовлюючих виробок та лінії очисного вибою. Тут виділяють відхід та накат, причому відробка лави проваджується як поодинока або як лава, що примикає до раніше виробленого простору. Друга четвірка варіантів охоплює планування зі ступінчатим скороченням лави (великі та малі сходинки, які частіше за все прив’язані до місячного та двомісячного скорочення лави). Третя четвірка варіантів охоплює планування з накатом лави на раніше розвантажену регіональну зону, у якій підтримуються підготовлюючі виробки, та відходом лав від неї. Нарешті остання група варіантів охоплює планування з наступною надробкою виробок. Зазначимо, що інші можливі варіанти можуть бути узагальнені таким чином, що вливаються у той чи інший варіант з виділених нами. Наприклад, такий частковий випадок, як відроблення кінцевих дільниць з формуванням навкруги виробок двосторонніх ціликів є версією (більш легкою або тяжкою) одного з перших 12 варіантів, якісно не відрізняючись від них. Таким чином, обрані варіанти розвитку робіт охоплюють основні можливі просторово-планувальні рішення при відробленні кінцевих дільниць, як на поодиноких пластах, так і у свиті.

Для усіх вибраних варіантів були проведені розрахунки напруження у масиві за мірою посування очисного вибою. При цьому фіксувалися напруження попереду очисного вибою за мірою його посування, а також у зоні розташування підготовлюючих виробок. На рис. 2 наведені приклади кінцевого просторового розподілу коефіцієнту напруження щодо варіантів місячного скорочення лави що примикає до виробленого простору (варіант 6), та фронтальної надробки виробок лавою вищележачого зближеного пласту, що примикає до виробленого простору, з малим відходом від розрізної печі (варіант 16). У процесі перерахування гірського тиску за мірою посування очисного вибою встановлено, що у затискуємому цілику варіанту 6 коефіцієнт концентрації напруження досягає значення 3,9 у тій крайовій частині цілика, що з усіх сторін оточена виробленим простором. У середній частині він дорівнює 3,2 та падає до значення 2,6 у районі з’єднання цілика та масиву вугілля. Таким чином, навіть у межах цілика спостерігаються зміни прояву гірського тиску. Це у свою чергу впливає на стан покрівлі та підготовлюючих виробок у оточенні цілика. У варіанті 16 у місці надробки зони розвантаження спостерігається загальне зниження концентрації напруження позаду вибою у межах 15-20% (з 1,1 до 0,8-0,9) по зрівнянню з ненадробленою дільницею.

Дані усіх розрахунків у наступному були оброблені та використані для розроблення окремих критеріїв щодо раціональності відробки ціликів. Усього таких критеріїв було три.

У якості першого був обраний критерій, що має вид відношення міцності порід, що вміщують, до діючих у масиві напружень. Після розрахунку стійкості покрівлі було встановлено, що краще (більш вище) значення критерію притаманне поодиноким лавам. Звідси витікає, що місця, що примикають до підготовлюючих виробок та мають слабку покрівлю, потрібно відробляти поодинокими лавами, з відходом їх від підготовлюючих виробок. За іншими рівними умовами варіанти відходу лав дають більш вище значення критерію стійкості. Таким чином, у слабких породах слід рекомендувати використовувати суцільну систему розробки, а не стовпову.

Другий критерій раціональності відробки ціликів у підготовлюючих виробок був орієнтований на розгляд стійкості самих виробок. Як відомо, при веденні робіт у таких виробок (у тому числі і при надробці) їхній стан має значно погіршуватися. Це приводить до значних економічних збитків. Прямі збитки обумовлені необхідністю проведення у виробках додаткових ремонтних робіт. Побічні збитки пов’язані з тим, що очисні вибої, що обслуговуються цими виробками, із-за зменшення перерізу останніх не отримають достатньої кількості повiтря для провітрювання, а також не в змозі в повному обсязі видати здобуте вугілля. Таким чином критерій раціональності за стійкістю підготовлюючих виробок був умовно поділений на дві складові. У першому випадку за спеціальною програмою була розрахована для кожного варіанту загальна кількість перекріплень та підривань, а також витрати на відшкодування за поточний період. Побічні збитки знаходилися наступним чином. Як відомо підготовлюючі виробки обслуговують кілька очисних вибоїв. Використовуючи відомі залежності навантаження на очисний вибій від стану підготовлюючих виробок, є можливість розрахувати втрати видобування при погіршенні стану останніх. При цьому збитки були структуровані за фахом виробок, тобто розраховані окремо по кожній з виробок: конвейєрному похилу, вентиляційному похилу та допоміжному хіднику.

Далі були підсумовані прямі та непрямі збитки по кожному варіанту. Величина збитків й приймалась за критерiй раціональності за стійкістю підготовлюючих виробок при відробленні ціликів. Як бачимо цей критерій комплексно враховує проблеми від погіршення стану підготовлюючих виробок з економічної точки зору, що особливо актуально у нових економічних умовах. Були також визначені питомі збитки, що відносяться на 1 погонний метр підготовлюючих виробок. У таблиці наведені результати розрахунків щодо усіх варіантів. Як ми бачимо з таблиці їх величини можуть досягати 30 грв/п.м та більше.

Як третю складову критерію було прийнято збитки від залишення вугілля у охоронних ціликах. Вони оцінювалися за ціною вугілля що залишається. Як відомо ціна вугілля сильно змінюється у залежності від його якості: зольність, наявності сірки, вологості та ін. Для можливості порівняння для усіх варіантів було прийняте вугілля з товарною ціною що дорівнює 45,87 гривні/ тонну.

Таблиця

Питомі збитки від погіршення стану підготовлюючих виробок

Номер схеми |

Найменування схеми | Питомі збитки, грв/п.м

1 | Відхід поодинокої лави з розгортанням | 14,3

2 | Відхід лави, що примикає до виробленого простору, з розгортанням | 26,7

3 | Накат поодинокої лави з розгортанням | 12,3

4 | Накат лави, що примикає до виробленого простору, з розгортанням | 23,5

5 | Щомісячне скорочення поодинокої лави | 3,8

6 | Щомісячне скорочення лави, що примикає до виробленого простору | 5,7

7 | Двомісячне скорочення поодинокої лави | 4,7

8 | Двомісячне скорочення лави, що примикає до виробленого простору | 10,3

9 | Накат поодинокої лави вищележачого пласту | 5,2

10 | Накат лави вище лежачого пласту, що примикає до виробленого простору | 2,0

11 | Фронтальна надробка поодинокою лавою з малим відходом від осі підготовлюючих виробок | 28,8

12 | Фронтальна надробка лавою, що примикає до виробленого простору, з малим відходом від осі підготовлюючих виробок | 32,0

13 | Відхід поодинокої лави верхнього пласта | 0

14 | Відхід лави верхнього пласта, що примикає до виробленого простору | 2,0

15 | Фронтальна надробка виробок поодинокою лавою з малим відходом від розрізної печі | 26,7

16 | Фронтальна надробка виробок лавою, що примикає до виробленого простору, з малим відходом від розрізної печі | 26,7

При веденні робіт на одному пласті (перші вісім варіантів) оцінці підлягали цілики, що залишаються у зоні розвантаження, у якій розташовані підготовлюючі виробки. При веденні робіт на зближених пластах (варіанти 9–16) до обліку приймалося вугілля, що залишається у охоронних ціликах розташованих на верхньому пласті. Розрахунки показали, що вугілля у ціликах може бути залишеним на суму до 2 млн. гривень. Були визначені також питомі збитки на 1 погонний метр лави. У результаті розрахунків видно, що вони можуть досягати величин 10,5 тис.грв/п.м лави. Таким чином ми бачимо, що збитки від залишення вугілля у ціликах можуть значно перевищувати збитки від погіршення стійкості виробок.

На останньому етапі визначення переваги застосування того чи іншого варіанту був отриманий комплексний критерій раціональності. Застосований комплексний критерій за методом рангових сум, який нормувався таким чином. По кожному з розрахованих критеріїв найменше його значення приймалося за 0%, а найбільше за 100%. Значення останніх результатів пропорційно перераховувалися на цей інтервал. Потім в кожному варіанті сумувалися процентні значення за кожним окремим критерієм. У цих процентних показниках найбільше значення приймалося за 100%, а найгірше - за 0%. Останні результати перераховуються у процентні значення відносно кращого (100%). В пiдсумку отримується комплексний критерій раціональності застосування того чи іншого способу відробки ціликів у підготовлюючих виробок – рис. 3. Такий підхід гарантує рівноцінність врахування як усіх геомеханічних, так і економічних компонент комплексного критерію.

При виборі та розрахунку окремих критеріїв та комплексного критерію вдалося виробити підхід, що дозволяє з різних кутів зору оцінити ті чи інші варіанти відробки ціликів у підготовлюючих виробках. Ми бачимо суперечність та складність проблеми, що розглядається. Так, наприклад, варіант 10 має один з найкращих частковий критерій раціональності за стійкістю виробок, але дуже низький сумарний критерій (рис. 3). Навпаки, варіант 15 має низький критерій стійкості виробок, але одне з найбільших значень сумарного критерію (рис. 3).

Промислова перевірка способів доробки ціликів вугілля була проведена на шахті “Південо-Донбаська №1” при доробці виїмкових стовпів 19-ї західної лави та 51-ї східної лави.

У першому випадку роботи велися на пласті с13. Лава, що відробляла виїмковий стовп, накатувалася на комплекс підготовлюючих виробок. Кут між спрямуванням руху лави та віссю підготовлюючих виробок дорівнював 40. Виходячи з необхідності збереження комплексу підготовлюючих виробок та виймання максимальної кількості вугілля з ціликів був обраний варіант доробки виїмкового стовпа з інтервальним скороченням очисного вибою. Цей варіант забезпечував гарні показники по критерію стійкості підготовлюючих виробок. При роботі лави її довжина була ступінчато зменшена з 215 м до 125 м й далі до 115 та 90 м. Різна величина зменшення лави була зумовлена різними технологічними труднощами, до яких в першу чергу треба віднести складні умови підтримання залишеної частини лави. При доробці виїмкового стовпа були проваджені заміри приросту гірського тиску у цілику за допомогою гідравлічних датчиків. Їхні результати наведені на рис. 4. Вони показали достатню збіжність з проведеним попереднім моделюванням цієї ситуації з точністю до 25%. У результаті доробки виїмкового стовпу по цій методиці додатково було видобуто 15 тис. тонн вугілля та збережений вузол підготовлюючих виробок.

У другому випадку проведена надробка 51-ю східною лавою східного польового дренажного та східного польового конвейєрного штреків гор. 480 м у кордонів двох диз’юнктивних порушень. Вибір цього варіанту обумовлювався діючим станом економіки шахти. Головним пріоритетом у цьому випадку була максимально допустиме виймання с11, що є найбільш потужним (1,7 м). Втрати вугілля у ціликах на цьому пласті найбільш помітні та болючі для шахти. Окрім того, у цьому випадку було важливим забезпечити стійкість покрівлі у очисному вибої, яка сильно валилася у привибійний простір.

Варіант 11 забезпечує максимально можливу величину найбільш приоритетного часткового критерію за втратами вугілля (100%), достатньо добре значення часткового критерію по вивалах покрівлі (біля 60%) та повільне значення комплексного критерію (більш 50%). Тому й був прийнятий варіант планування 11, у підсумку чого було вирішено надробити магістральні штреки гор. 480 м поодинокою 51 лавою. Завдяки значній віддаленості магістральних штреків від пласту у цьому місці (27-30 м) частковий критерій за стійкістю виробок був збільшений до достатнього значення, про що свідчать інструментальні спостереження за конвергенцією по контуру виробок у процесі їхньої надробки. Конвергенція боків виробок була зневажено малою, а здимання не перевищувало 0,5 м, та дорівнювало у середньому 150-250 мм. Таким чином, інтегральний комплексний критерій у цьому випадку був збільшений до 78%, що характеризує обраний варіант як дуже вдалий. У результаті надробки додатково вийнято 60 тис. тонн вугілля, при забезпеченні стійкості штреків.

ВИСНОВКИ

У дисертації отриманий науково обгрунтований комплексний критерій раціональності доробки крайових частин виїмкової дільниці у підготовлюючих виробок, на підставі якого вирішена актуальна науково-прикладна задача вибору раціональних технологічних схем ведення очисних робіт поблизу підготовлюючих виробок щодо підвищення повноти відробки підготовлених запасів в умовах порушених шахтних полів. Основні результати роботи полягають у наступному:

1. На підставі аналізу можливих технологічних схем було виділено шістнадцять варіантів планування гірничих робіт, що забезпечують високу ступінь повноти виймання запасів при відробленні порушених виїмкових полів на шахтах похилого падіння.

2. Вибрані варіанти розвитку гірничих робіт були піддані детальному геомеханічному аналізу щодо вибору раціональних технологічних схем відробки кінцевих частин виїмкових стовпів. Встановлено, що середні значення коефіцієнту концентрації напружень попереду лави за мірою її посування змінюються від 1,37 при фронтальній надробці виробок поодинокою лавою з малим відходом від розрізної печі до 3,15 при накаті лави, що примикає до раніше виробленого простору з розгортанням на кордон регіональної зони розвантаження. Середній приріст коефіцієнту концентрації напружень у зоні підтримання підготовлюючих виробок змінюється від 0,1 при відході поодинокої лави верхнього пласту до 0,35 при фронтальній надробці лавою, що примикає до виробленого простору з малим відходом від осі підготовлюючих виробок.

3. Зіставлення діючих напружень у покрівлі з її міцністю показали, що кращий критерій стійкості покрівлі спостерігається при фронтальній надробці виробок поодинокою лавою з малим відходом від розрізної печі, та дорівнює у середньому 2,19. У загальному випадку кращими є варіанти ведення робіт одинокими лавами у недоторканому масиві та варіанти відходу лав.

4. Аналіз витрат на підтримання підготовлюючих виробок, що попадають у зону впливу суміжної лави, засвідчує про те, що прямі збитки від погіршення стану підготовлюючих виробок змінюються по варіантам від 0 при відході поодинокої лави верхнього пласту до 32 гривень на погонний метр при фронтальній надробці лавою, що примикає до виробленого простору, з малим відходом від осі підготовлюючих виробок. Питомі збитки від втрат вугілля у ціликах набагато більші від витрат на підтримання виробок та досягають 10,5 тис. гривень на погонний метр очисного вибою.

5. За комплексним критерієм кращим серед перших восьми варіантів є відхід лави з розгортанням, яка працює у недоторканому масиві. Серед останніх варіантів кращими за комплексним критерієм є фронтальна надробка лавою у любому напрямку.

6. У підсумку проведених досліджень вдалося розробити підхід до комплексної оцінки технології відробки ціликів та кінцевих частин виїмкових стовпів та дільниць при вільній орієнтації їхніх кордонів. У цій роботі вперше показана суперечність часткових критеріїв раціональності доробки кінцевих частин виїмкових дільниць та їхнє складне взаємосполучання. Це має велике практичне значення, бо за складних сучасних економічних умов тактичні пріоритети можуть часто змінюватися (ціни на різні марки вугілля, наявність резерву робочої сили та інші). Тому вибір раціонального варіанту повинен проводитися з урахуванням конкретної ситуації. Розроблені часткові та комплексний критерії раціональності призначені якраз для оперативного рішення такої проблеми.

7. Шахтними інструментальними спостереженнями встановлено ступінчате підвищення опорного тиску у цілику, що доробляється, при ступінчатому скороченні лави. При цьому концентрація опорного тиску збільшилася у 1,5 рази при наближенні лави до місця заміру на 10 м, а потім, після скорочення лави 90 м та оформлення витягнутого цілика робочою частиною лави, концентрація збільшилася у 2,5 рази. Данні шахтних замірів та математичного моделювання перерозподілу гірського тиску співпали з точністю 25%, що є свідченням достовірності висновків, що отримані на підставі прийнятої геомеханічної моделі.

8. У промислових умовах проведена перевірка варіанту ступінчатої доробки виїмкового стовпа на пласту с13 та впроваджене планування гірничих робіт з надробкою польових штреків у кордону диз’юнктивного порушення на пласті с11. Результати промислової перевірки підтвердили високу ефективність цих планувань, тому що, було додатково видобуто відповідно 15 тис. та 60 тис. тонн вугілля. При цьому забезпечена задовільна стійкість основних магістральних штреків гор. 480 м та двох похилих виробок, підвищена фондовіддача основних споруд та обладнання, підвищена безпека робіт за рахунок зняття концентрацій гірського тиску у свиті пластів. Загальний прибуток від реалізації вищевказаних планувань дорівнює 2145 тисячі гривень.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1) Назимко В.В., Вишневецкий В.В., Грядущий Ю.Б., Бугара М.И. Критерий устойчивости пород кровли в очистном забое// Уголь Украины. -1996. -№8. -С. 20-23.

2) Бугара М.И., Иванов И.Е. Влияние скорости оседания пород на вывалообразование в очистных забоях// Известия Донецкого горного института. –1997. -№1(5). -С. 8-10.

3) Бугара М.И., Грядущий Ю.Б., Назимко В.В. Прогноз устойчивости непосредственной кровли в сложных горно-геологических условиях// Уголь Украины. –1997. -№4. -С. 15-17.

4) Бугара М.И., Иванов И.Е. Выбор рациональных способов доработки целиков в сложных горно-геологических условиях// Известия Донецкого горного института. –1997. -№2(6). -С. 5-9.

5) Бугара М.И., Коломиец В.А., Слипко А.А., Щербаков В.А., Звягильский Е.Л. Комплексное решение отработки выемочных столбов и обеспечения устойчивости выработок путём их надработки// Известия Донецкого горного института. –1999. -№1(9). -С. 38-41.

6) Бугара М.И., Красько Н.И. Минимизация потерь угля подготовленных запасов в нарушенных шахтных полях// Перспективы развития горных технологий в начале третьего тысячелетия. –Алчевск: ДГМИ. –1999. –с.152-153.

Особистий внесок здобувача у публікаціях. У статті [1] запропонував враховувати положення шару відносно покрівлі пласту при визначенні критерію стійкості, а також зробив розрахунки критерію та його аналіз щодо типових умов. У статті [2] зробив обгрунтування місця проведення інструментальних спостережень у 2-й східній лаві пласту С13, а також провів аналіз отриманого критерію стійкості покрівлі. У статті [3] зробив постановку задачі, вибір та обгрунтування початкової інформації щодо розрахунку розподілу критерію стійкості порід у 22-й східній лаві, та провів аналіз розрахунків. У статті [4] обгрунтував комплексний критерій раціональності відробки крайових частин виїмкових стовпів, зробив ранжування та аналіз отриманих значень критерію щодо основних варіантів. У статтях [5] та [6] автором обгрунтоване місце промислової перевірки розроблених рекомендацій та обгрунтовані раціональні варіанти відробки крайових частин виїмкових стовпів.

АНОТАЦІЯ

Бугара М. І. Геомеханiчне обгрунтування раціональних технологічних схем відробки кінцевих дільниць виїмкових стовпів на інтенсивно порушених дільницях шахтних полів. -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.02 – Підземна розробка родовищ корисних копалин. –Відділення фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАН України. Донецьк, 1999.

Дисертація присвячена проблемам відробки ціликів що примикають до капітальних підготовлюючих виробок. У роботі розвивається напрямок на відробку ціликів що примикають до зон розвантаження капітальних підготовлюючих виробок. При цьому пропонуються різні способи відробки цих ціликів. Проваджується геомеханічний аналіз запропонованих способів, за допомогою комп’ютерного моделювання. На його основі встановлюються критерії раціональності впровадження того чи іншого способу: по стійкості покрівлі у очисній виробці; по стійкості капітальних підготовлюючих виробок; по втратам вугілля у ціликах. Проведене випробування двох проваджених способів на шахті “Південно-Донбаська №1”.

Ключові слова: цілик, виїмковий стовп, стійкість, комп`ютерне моделювання.

SUMMARY

Bugara M. I. Geomechanical foundation of optimal technologies for mining of marginal parts of longwall panel in faulted coal seams. -Manuscript.

Thesis for a candidate degree by speciality 05.15.02 – Underground extraction of deposits. –Branch of physical and technical mining problems DonFTI by name А.A. Galkin, National academy of science of Ukraine. Donetsk, 1999.

Dissertation is devoted to the problem of mining pillar adjoin to development working. Different layouts have been proposed to extract these pillars. Geomechanical analysis has been accomplished by computer simulation to assess all the layouts. A complex criterion was developed to choose optimal layout. This criterion is based upon stability of the roof, on stability of the mains and on the loss of coal in pillar. This criterion gives possibility to make estimation of different technologies for mining of marginal sections of longwall panels. Two of the technologies has been implemented at coal mining “South-Donbass №1”.

Key words: coal pillar, mining panel, stability, computer modeling.

АННОТАЦИЯ

Бугара М. И. Геомеханическое обоснование рациональных технологических схем отработки концевых участков выемочных столбов на интенсивно нарушенных участках шахтных полей. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.02. – Подземная разработка месторождений полезных ископаемых. –Отделение физико-технических горных проблем ДонФТИ им. А.А. Галкина НАН Украины, Донецк, 1999.

Диссертация посвящена вопросам отработки целиков примыкающих к подготавливающим выработкам. Рассматриваются как варианты ведения работ на одном пласте (первая группа), так и на смежных пластах (вторая группа). Предлагаются различные способы отработки данных целиков. При этом указывается, что при ведении работ в таких зонах породы находятся в сложном напряжённом состоянии. Возникают различные дополнительные проблемы: ухудшение устойчивости кровли в очистном забое и потеря устойчивости подготавливающими выработками. Производится геомеханический анализ предложенных способов, с помощью компьютерного моделирования. В качестве основной программы для расчётов принята усовершенствованная программа проф. М.П. Зборщика, позволяющая прослеживать изменение распределения напряжений в массиве в процессе развития горных работ. На основе моделирования устанавливаются критерии рациональности применения того или иного способа: по устойчивости кровли; по устойчивости подготавливающих выработок; по потерям угля в целиках.

По критерию устойчивости кровли лучшими признаются в первой группе – варианты ведения работ по сплошной системе разработки, во второй группе – варианты, при которых выработки не надрабатываются. По критерию устойчивости подготавливающих выработок лучшими являются варианты интервального сокращения лавы при доработке выемочного столба и накат лавы вышележащего пласта, примыкающей к выработанному пространству. Рассчитаны убытки от оставления угля в охранных целиках. На основе критериев устойчивости кровли, подготавливающих выработок и потери угля выводится комплексный критерий рациональности применения вариантов. По комплексному критерию лучшими являются варианты отхода одиночной лавы с разворотом (первая группа) и фронтальной надработки выработок одиночной лавой с малым отходом от разрезной печи (вторая группа).

Проведено опробование двух предлагаемых способов на шахте “Южно-Донбасская №1”. В первом случае проведена ступенчатая доработка 19-й западной лавы. Во время работы лавы её длина была ступенчато уменьшена с 215 м до 125 м и далее до 115 и 90 м. Разная величина сокращения лавы была обусловлена различными технологическими трудностями. Проведенные замеры показали удовлетворительную сходимость полученных при моделировании результатов с шахтными наблюдениями. Точность составила до 25%. При доработке дополнительно добыто около 15 тыс. тонн угля. Экономический эффект составил 471,7 тыс. гривен, при увеличении фондоотдачи составившей 15,1 тыс. гривен. Во втором случае проведена успешная надработка 51-й восточной лавой восточных полевых штреков горизонта 480 м. При проведении ограниченного количества мероприятий подготавливающие выработки удалось сохранить в удовлетворительном состоянии. При проведении надработки дополнительно добыто около 60 тыс. тонн угля. Общий экономический эффект составил 1672,9 тыс. гривен. Достигнуто увеличение фондоотдачи, составившее 60,6 тыс. гривен.

В результате проведения работы получен научно обоснованный комплексный критерий рациональности доработки краевых частей выемочного участка у подготавливающих выработок. Решена актуальная научно-прикладная проблема выбора рациональных технологических схем ведения очистных работ вблизи подготавливающих выработок. При этом получены следующие основные результаты:

1) установлено, что лучшими по критерию устойчивости кровли, учитывающему напряжения действующие впереди движущегося очистного забоя, являются фронтальная надработка выработок и варианты отхода лав от подготавливающих выработок;

2) лучшими по критерию устойчивости подготавливающих выработок, учитывающему изменение напряжений в их окрестностях, являются варианты отхода одиночной лавы верхнего пласта и интервального сокращения лавы при её подходе к выработкам;

3) удельные потери от оставления угля в охранных целиках достигают 10,5 тыс.грв./п.м лавы и значительно превышают потери от ухудшения состояния подготавливающих выработок, которые достигают значения 30 грв./п.м;

4) разработан подход по комплексной оценке вариантов отработки целиков у подготавливающих выработок. По этому критерию лучшим среди первых восьми вариантов являются отход лавы с разворотом, работающей в нетронутом массиве. Среди остальных вариантов лучшими по комплексному критерию является фронтальная надработка лавой в любом направлении;

5) показана противоречивость компонент, составляющих комплексный критерий рациональности доработки концевых частей выемочных участков. Максимальный критерий не обязательно формируется максимальными величинами его составляющих и наоборот.

6) шахтные инструментальные наблюдения подтвердили достоверность проведенных расчётов в пределах 25%, при этом установлено ступенчатое увеличение опорного давления в защемляемом целике при ступенчатом сокращении лавы. При проверке в шахтных условиях двух предложенных вариантов дополнительно добыто 15 и 60 тыс. тонн угля.

Ключевые слова: целик, выемочный столб, устойчивость, компьютерное моделирование.