МІНІСТЕРСТВО освіти і НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРничИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ФЕСЕНКО Едуард Вікторович

УДК 622.023.68 (043.3)

ПРОГНОЗ та закономірності зДИМАННЯ ШАРУВАТИХ ПОРІД підошви ГІРничих ВИРОБок

Спеціальність: 05.15.04 – "Шахтне та підземне будівництво"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі будівельної геотехнології і гірничих споруд Донбаського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України (м. Алчевськ)

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Литвинський Гаррі Григорович,

завідувач кафедри "Будівельна геотехнологія і гірничі споруди" Донбаського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України (м. Алчевськ).

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

усаченко Борис Миронович,

завідувач відділу механіки гірських порід Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України (м. Дніпропетровськ);

кандидат технічних наук

Гапєєв Сергій Миколайович,

асистент кафедри "Будівельні геотехнології і геомеханіка" Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Провідна установа: Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра "Будівництво шахт і підземних споруд"

Захист відбудеться 20.01.2006 року о 12 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ) за адресою: 49027, Україна, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету (49027, Україна, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19).

Автореферат розісланий 19.12.2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О. В. Солодянкін

Д 08.080.04

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Для розвитку економіки України в цілому й енергетичного потенціалу держави зокрема вугілля є стратегічною сировиною, а загальних його ресурсів цілком достатньо для забезпечення не тільки власних потреб, але й експортних поставок в інші країни світу. Однак, вугільна промисловість України поки перебуває в глибокій кризі. Розвиток вугільної галузі нерозривно пов'язаний з підвищенням стійкості гірничих виробок, від стану яких значною мірою залежать показники роботи шахт.

Глибина розробки вугільних шарів у Донбасі постійно збільшується, наближаючись у цей час до 800 м, що приводить до погіршення умов проведення й підтримки виробок, при цьому більше 40% проведених виробок ремонтується до здачі в експлуатацію, 52% діючих – деформовано. Ремонт виробок через здимання підошви становить 45% від загального обсягу деформованих виробок. Випирання порід підошви сягає значних величин (нерідко більше 1 м) і може привести до повного виведення виробки з експлуатації. Здимання підошви гірничих виробок варто вважати одним з розповсюджених проявів гірського тиску. Вивчення різних його форм прояву, аналіз існуючих уявлень про фізичну природу й механізми, розробка методик прогнозу здимання підошви є актуальною задачею для обґрунтованого проектування та будівництва гірничих виробок.

Наукова задача досліджень – встановлення закономірностей здимання шаруватих порід підошви гірничих виробок для різних гірничо-геологічних та гірничотехнічних умов.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках держбюджетної науково-дослідної теми "Розробка наукових основ нової технології й техніки підземного видобутку вугілля" (№ держ. реєстрації 0102U002970).

Метою роботи є встановлення закономірностей і розробка методики прогнозу здимання шаруватих порід підошви гірничих виробок.

Основна ідея роботи полягає в урахуванні впливу шаруватості на втрату повздовжньо-поперечної стійкості гірських порід у підошві виробок й у розгляді поетапного розвитку процесу здимання.

Об'єктом досліджень є стійкість шаруватих порід підошви капітальних та підготовчих гірничих виробок вугільних шахт.

Предмет досліджень – прояви гірського тиску як явища здимання й втрати повздовжньо-поперечної стійкості порід підошви гірничих виробок.

Для досягнення зазначеної мети поставлені й вирішені наступні задачі:

1. Провести аналіз й узагальнення літературних джерел і виробничого досвіду, одержати вихідні дані про здимання для статистичної обробки, виявити найбільш значущі фактори.

2. Розробити ймовірносно-статистичну методику прогнозу здимання порід у пластових підготовчих виробках.

3. Встановити і дослідити механізм здимання шаруватих порід підошви.

4. Обґрунтувати розрахункову схему й установити величину підняття шарів порід у підошві, що випирають, залежно від зсуву боків виробки.

5. Розробити методику й лабораторний стенд для фізичного моделювання втрати повздовжньо-поперечної стійкості шарів порід у підошві гірничої виробки.

6. Розробити методику і пакет прикладних програм для прогнозу втрати повздовжньо-поперечної стійкості й розрахунку величини випирання шаруватих порід підошви гірничих виробок.

7. Впровадити рекомендації для підвищення стійкості капітальних і підготовчих виробок вугільних шахт.

Методи досліджень. Рішення поставлених задач здійснювалося комплексно, з використанням аналізу й узагальнення літературних джерел; натурних візуальних й інструментальних спостережень; аналітичних досліджень (теорії ймовірностей, математичної статистики, методів механіки суцільного середовища, теорії подоби й розмірностей); фізичного моделювання на еквівалентних матеріалах, теорії оптимального планування експерименту.

Наукові положення, що захищаються у дисертації:–

ймовірність здимання порід підошви в підготовчих виробках нелінійно, у вигляді гіперболічного тангенса, залежить від глибини розробки, міцності порід безпосередньої підошви, кута падіння порід, їх потужності, потужності шару вугілля, що виймається, а величина підняття порід підошви перебуває в степеневій залежності від ймовірності здимання, що дозволяє виконати прогноз здимання підошви для різних гірничо-геологічних умов;–

здимання шаруватих порід підошви відбувається в результаті втрати їх повздовжньо-поперечної стійкості або руйнування порід від стискаючих напружень і залежить від співвідношення критеріїв – втрати повздовжньо-поперечної стійкості шарів і локального нормованого критерію руйнування порід , при цьому найнебезпечніше співвідношення критеріїв ч < 1 < щ, коли відбувається втрата стійкості й руйнування порід від стискаючих напружень; а при дотриманні нерівності щ < 1 < ч - породи підошви стійкі, що дозволяє виділити різні механізми здимання підошви й обґрунтувати необхідні способи їх запобігання в капітальних і підготовчих виробках.

Наукова новизна роботи:–

вперше отримані узагальнені залежності для розрахунку ймовірності здимання підошви (помилка прогнозу 9 – 12%);–

доведено, що кут падіння порід для пластових виробок при його значеннях 300 мало впливає (у межах помилки ± 10%) на ймовірність здимання, а збільшення кута падіння (300 < < 700) призводить до зниження ймовірності здимання на 30 – 40%;–

вперше встановлено, що величина підняття порід підошви перебуває у степеневій залежності від ймовірності здимання, залежить від ступеня впливу очисних робіт і способу охорони виробки і максимальна для способу охорони за схемою "бутова смуга (або штучне огородження) – масив";–

вперше доведено, що співвідношення факторів h, усж, 2а, с, Е визначає два види втрати стійкості шаруватих порід підошви: а) здимання із центральною симетрією, коли координата максимального прогину (місце початку здимання) – центр виробки; б) "однобічне" здимання порід, коли координата максимального підняття зміщена щодо центра виробки;–

вперше встановлені критерії втрати стійкості шаруватих порід підошви – а) критерій втрати повздовжньо-поперечної стійкості ч й б) локальний нормований критерій руйнування порід щ, співвідношення яких визначає ступінь стійкості порід підошви;–

розроблена нова методика проведення лабораторного експерименту й стенд для моделювання втрати повздовжньо-поперечної стійкості шаруватих порід підошви. За результатами проведення лабораторних досліджень отримані умови втрати стійкості породних шарів підошви.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей здимання шаруватих порід підошви капітальних та підготовчих гірничих виробок і критеріїв втрати їх повздовжньо-поперечної стійкості.

Практичне значення полягає в розробці методики прогнозу здимання підошви в пластових підготовчих виробках, методики прогнозу втрати повздовжньо-поперечної стійкості шаруватих порід підошви капітальних та підготовчих виробок й пакета прикладних програм для ЕОМ, а також розробці рекомендацій із застосування запропонованих методик прогнозу в різних гірничо-геологічних й гірничотехнічних умовах.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується:

використанням апробованих методів аналітичних, лабораторних і шахтних досліджень і коректністю поставлених задач; достатнім обсягом статистичної інформації про здимання на 699 шахтопластах Донбасу; адекватністю розробленої аналітичної й експериментальної моделі реальним явищам здимання шаруватих порід підошви; достатньою збіжністю отриманих залежностей з натурними спостереженнями, що підтверджено розрахованим коефіцієнтом відповідності (конкордації) (Кк = 0,91) і даними шахтних інструментальних спостережень.

Реалізація результатів досліджень. Розроблені методики прогнозу використані при проектуванні комплексу виробок горизонту 1050 м шахти "Должанська - Капітальна" ГП "Свердловантрацит". Очікуваний економічний ефект від застосування методик прогнозу – від 54 до 196 грн/п.м виробки залежно від гірничо-геологічних умов, призначення виробки й ступеня впливу очисних робіт. Розроблені методика, пакет прикладних програм для ЕОМ й інструкція із прогнозування здимання використовуються в навчальному процесі ДонДТУ при підготовці фахівців гірничого профілю.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи повідомлені, обговорені й схвалені на засіданнях кафедри будівельної геотехнології і гірничих споруд ДонДТУ (2003 - 2005 р.), а також на міжнародних конференціях і симпозіумах “Уголь-Mining Technologies 2003” (м. Луганськ, 2003 р.), "Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений" (м. Донецьк, 2004 р.), "Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості" (м. Кривій Ріг, 2004, 2005 р.), "Современные проблемы шахтного и подземного строительства" (м. Донецьк, 2004 р.), "Горная геология, геомеханика и маркшейдерия", (м. Донецьк, 2004 р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 12 наукових праць, у тому числі 7 у спеціалізованих виданнях і 5 у збірниках матеріалів науково-технічних конференцій.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, містить 141 сторінку машинописного тексту, 43 малюнка, 19 таблиць, список використаних джерел зі 122 найменувань і 7 додатків. Загальний обсяг дисертації 177 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Значний внесок у вивчення геомеханічного стану масиву гірських порід навколо гірничих виробок та явища здимання порід підошви внесли такі вчені, як А.В. Гурдус, А.І. Целігоров, В.Д. Слєсарев, В.М. Городничев, П.М. Цимбаревич, К.В. Руппенейт, М.Н. Шейхет, О.П. Максимов, Ю.З. Заславський, І.Л. Черняк, Б.М. Усаченко, Г.Г. Литвинський, О.М. Шашенко, А.М. Роєнко, та ін. Ними запропонований ряд цінних та оригінальних гіпотез, що пояснюють механізм здимання, які є основою для створення різних підходів до прогнозування здимання гірських порід. В результаті роботи наукових шкіл під керівництвом цих вчених встановлені основні причини і пояснені механізми здимання підошви. Більшість висунутих гіпотез не втратила актуальності аж до теперішнього часу.

Однак слід відзначити, що не всі ці гіпотези досить точні й достовірні, деякі з них або мають обмежену область застосування, або складні у використанні, оскільки вимагають значного обсягу початкової геологічної й гірничотехнічної інформації, а також проведення складних і трудомістких шахтних вимірів і розрахунків. Не повною мірою для вивчення цього явища використовуються дані про здимання, зібрані й систематизовані вченими й виробничниками в результаті відпрацьовування діючими шахтами вугільних шарів Донецького басейну. Недостатньо вивчені й обґрунтовані причини й критерії втрати стійкості порід підошви з урахуванням їх шаруватості. Тому встановлення закономірностей і розробка методики прогнозу здимання й втрати повздовжньо-поперечної стійкості шаруватих порід підошви гірничих виробок є актуальною науково-практичною задачею, рішенню якої присвячена дисертація.

Для оцінки впливу основних гірничо-геологічних факторів на ймовірність Р здимання підошви, виявлення залежності величини підняття U порід підошви від ймовірності здимання й розробки методики прогнозу доцільно скористатися інформацією, зібраною геологічними й маркшейдерськими службами вугільних шахт і зведеною в Каталог шахтопластів Донецького вугільного басейну. У ньому за всіма шахтопластами Донбасу наведені 54 показника, що характеризують 34 гірничо-геологічних фактора і явища, а також дана типізація шахтопластів з основних факторів і явищ.

Дані Каталогу про здимання підошви були нами статистично оброблені. Відібрано 11 факторів, пов'язаних зі здиманням підошви: глибина розробки Н, кут падіння , марка вугілля М, індекс i і потужність mу шару, що виймається, тип його з порушеності Тн, потужність порід безпосередньої підошви mп, їх тип Тп і міцність сж, тип підошви по стійкості Ту, тип покрівлі за обваленням То.

Для встановлення залежності ймовірності Р здимання від кожного фактора проведена статистична обробка за всіма 699 шахтопластами Донбасу, отримані рівняння регресії й визначена вірогідність їх апроксимації R2. При R2=1 одержуємо детерміновану залежність, а при R2=0 статистичний зв'язок відсутній, тобто фактор не впливає на здимання підошви. Із загального числа факторів були виявлені за рівнем вірогідності найбільш значущі. У їх число ввійшли: глибина розробки Н, міцність порід безпосередньої підошви сж і їх потужність mп, потужність шару вугілля, що виймається mу, кут падіння порід . З урахуванням особливостей збору інформації зі здимання при складанні Каталогу до розгляду були прийняті пластові підготовчі виробки, причому критерієм прояву здимання підошви вважалося підняття порід на величину не менш 0,2 – 0,3 м.

У результаті були отримані узагальнені залежності ймовірності здимання від ряду найважливіших факторів.

Графіки (рис. 1) дають важливу інформацію з прогнозування здимання в підготовчих виробках шахт Донбасу. Так, з рис. 1,а видно, що на глибинах розробки менш 100 м здимання майже відсутнє, а на глибині 1000 м і більше його ймовірність перевищує 80%. На момент розробки Каталогу середня глибина гірничих робіт у Донбасі становила 560 м, що відповідає ймовірності здимання 60%. Зараз ця глибина сягає 700 – 800 м, отже, ймовірність здимання підошви в пластових гірничих виробках у цілому по Донбасу підвищилася до рівня 65 – 70%.

Здимання досить імовірно (90 – 95%) при міцності порід підошви сж менш 20 МПа. Для міцних підошов (90 – 100 МПа й більше) з високим ступенем вірогідності можна прогнозувати його повну відсутність (рис. 1, б).

При куті залягання порід до 300 його вплив на ймовірність здимання підошви мало змінюється (Р=const=60%). У міру збільшення кута падіння до 65–700 ймовірність здимання падає до 40% (рис. 1, в). Отже, пластові підготовчі виробки в умовах крутого падіння шарів піддаються здиманню підошви менше, ніж виробки на пологому падінні.

За допомогою графіків можна прогнозувати здимання в середньому по кожному регіону (області, об'єднанню), оцінити, як зросте ймовірність здимання підошви в майбутньому й передбачити відповідні заходи щодо його запобігання зі збільшенням глибини розробки (частота підривок, свердловинне розвантаження порід, створення породонесучих зворотних зводів активним розвантаженням і наступним зміцненням порід АРНЗ та ін.).

Доцільно відповідно до теорії подоби й розмірностей замість одиночних факторів, що впливають, використати їх безрозмірні комбінації (симплекси). Після групування факторів отримані наступні безрозмірні симплекси: =Н/сж, =mу/mп, і кут падіння порід .

У результаті були вперше отримані узагальнені залежності ймовірності здимання (коли підняття порід підошви перевищить поріг 0,2 – 0,3 м) від ряду найважливіших факторів. Для кута падіння порід до 300, коли його впливом можна зневажити, рекомендується для розрахунку ймовірності здимання формула:

; (1)

а для умов > 300 рекомендується формула:

; (2)

Використання у формулах (1,2) гіперболічного тангенса th(x) обумовлено його кращою відповідністю статистичним даним, а також вимогами фізичного змісту ймовірності здимання, що може змінюватися тільки в межах 0 < P < 1.

Для перевірки адекватності запропонованої методики прогнозу був проведений розрахунок ймовірності здимання по всіх шарах Каталогу й визначений коефіцієнт відповідності (конкордації) Кк Останній показує частку збігів розрахункової ймовірності здимання з фактичною. З 699 випадків здимання отримано 618 збігів, тобто Кк = 0,88, а без урахування Центрального району Донбасу (круте падіння) Кк = 0,91, що характеризує достатню вірогідність запропонованої методики прогнозу (помилка прогнозу 9 – 12%). Дана методика дозволяє не тільки простежити, як змінюється здимання підошви від впливу головних факторів, але дає основу для техніко-економічної оцінки складності ведення робіт у різних гірничо-геологічних умовах.

З метою виявлення залежності величини підняття порід підошви від ймовірності здимання був проведений статистичний аналіз даних. Останні зібрані за опублікованими даними, а також по анкетах обстеження здимання підошви, зібраних нами на шахтах Луганської області (близько 100 виробок). Це дозволило побудувати графіки й одержати рівняння регресії, що описують шукані залежності (табл. 1), де а – половина ширини виробки.

Як видно з табл. 1, спроби розгляду здимання у всіх підготовчих виробках (рядок 3) або у всіх виробках у цілому мало переконливі, оскільки вірогідність апроксимації в цих випадках падає до неприпустимо низького рівня (28% й 41% відповідно). Тому рекомендуються до застосування формули, що відповідають рядкам 1, 2 і 4. При цьому останній випадок (рядок 4) також вимагає диференціації за гірничотехнічними умовами (виробка уздовж або вхрест простягання, її нахил, наявність зволоженості порід та ін.).

Таблиця 1

Узагальнені рівняння регресії і вірогідність їх апроксимації

Виробки | Рівняння регресії | Вірогідність апроксимації (100• R2),%

1. Охорона за схемою “бутова смуга (або штучне огородження) – масив” | 84

2. Пройдені “вприсечку” | 75

3. Підготовчі в цілому | 28

4. Поза зоною впливу очисних робіт | 53

5. Всі виробки | 41

Розроблена розрахункова схема здимання при втраті повздовжньо-поперечної стійкості порід підошви з урахуванням їх шаруватої будови з метою пояснення причин і механізмів цього явища й установлення критеріїв втрати стійкості. Прийнято, що верхній шар порід підошви представлений у вигляді плити, що перебуває в пласко деформованому стані й лежить на пружній (вінклеровській) основі (масиві гірських порід) під дією горизонтальних стискаючих сил Р, які обумовлені діючими в масиві гірських порід напруженнями у (рис. 2). Навантаження Р, прикладене до торців балки, трактується як рівнодіюча горизонтальних напружень, що діють на кінці балки (А, В, рис. 2) з боку навколишнього масиву порід.

Для визначення величини прогинів у породної балки у підошві виробки використане рішення диференціального рівняння балки на пружній (вінклеровській) основі: . Загальний інтеграл рівняння:

; (3)

Отримані залежності прогинів породних шарів, що залягають у підошві виробки, від факторів, що впливають. Для побудови графіків були прийняті наступні вихідні значення вхідних величин: модуль деформацій породи Е = 2104 МПа; коефіцієнт постелі с = 5 109 Н/м3; межа міцності порід на стиск [ус] = 40 МПа, ширина виробки 2а = 4 м. Кожен графік побудований як функціональна залежність y = f(z), де z – один з факторів, що впливають, при фіксованих значеннях інших факторів. Дослідження дозволили встановити ступінь впливу кожного з досліджуваних факторів на величину прогинів породних балок. При цьому можна відзначити наступне:

а) залежність прогинів балки від її товщини h має екстремум (hэ ? 1,0 – 1,2 м). На ділянці h < hэ збільшення товщини приводить до зростання прогинів, подальше збільшення h (h > hэ) зменшує прогини (рис. 3, а).

б) зі збільшенням прольоту 2а збільшується величина прогинів шарів підошви.

в) підвищення міцності порід [ус] приводить до зменшення радіуса руйнувань у кутах виробки, рівного потужності порід h, що здимаються, чим пояснюється зменшення прогинів шарів.

г) вплив модуля деформацій порід Е на величину прогинів, у порівнянні з попередніми трьома факторами, виражено менше. Так, зниження Е в п'ять разів приводить до зростання максимальних прогинів лише у два рази (рис. 3).

д) збільшення коефіцієнта постелі с приводить до зниження прогинів балки. Однак вплив с на величину прогинів істотний при h < 0,5 м.

На рис. 3 показана залежність величини прогинів породних балок у підошві від їх товщини h, модуля деформацій Е, координати уздовж осі балки х. Як видно із графіків (рис. 3), при певному співвідношення факторів, що впливають, координата максимального підняття хmax (місце початку здимання) зміщається від центра виробки до її боків.

Координату максимального підняття по осі балки хmax для конкретного випадку співвідношення вихідних даних можна одержати, дорівнявши нулю першу похідну рівняння прогинів (3).

Розглянуті два механізми здимання пояснюють відзначені на практиці випадки "центрального" й "однобічного" здимання підошви, оскільки, якщо координата початку здимання хmax зміщена щодо центра, то можна думати, що втрата стійкості шарів відбудеться не симетрично по обидва боки осі виробки, а з однієї її сторони, тому що масив гірських порід не є ідеальним і містить різні неоднорідності й включення. Початок однобічного здимання приводить до руйнування порід і зниження їх напруженого стану, що придушує прояву здимання на протилежній стороні виробки. Крім того, впливає безліч несиметричних факторів, що утруднюють одночасне руйнування порід у підошві виробки (кут падіння порід, неоднорідність порід, навантаження на підошву від устаткування, транспорту, тріщинуватість при проведенні виробки і таке інше).

При визначенні навантажень на балку з боку основи й порівнянні їх із критичними, при яких відбудеться відрив шару від масиву і його випирання у виробку, умова втрати стійкості запишеться у вигляді:

; (4)

де – межа міцності між шарами на розрив перпендикулярно площині ослаблення.

На рис. 4 показані графіки залежності навантаження на балку q з боку масиву від товщини породного шару h.

Виконання умови (4) приводить до розриву зв'язку між породною балкою й основою, тобто виникне тріщина між шаром, що здимається, і масивом гірських порід. Подальше деформування балки під дією згинальних моментів приведе до її зсуву усередину виробки, тобто до здимання підошви.

Відрив балки від породної основи й подальший розвиток процесу здимання відбудеться, якщо навантаження q перевищать межу міцності (), тобто ділянка графіків вище крапкової лінії характеризує втрату стійкості порід й здимання, нижче – стійкий стан порід підошви. Таким чином, з рис. 4 видно, що здимання підошви почнеться для шару, товщина якого h ? 0,55 м. Максимальне підняття в цьому випадку буде спостерігатися в центрі виробки. Якщо врахувати можливість структурного ослаблення порід ( < ), межа стійкості (крапкова лінія рис. 4) переміщається вниз, і процес здимання виявляється можливим для меншої товщини шару h, при цьому максимальна амплітуда випирання порід зміститься від центра до боків виробки.

Розгляд процесу втрати стійкості й випирання порід підошви з позицій його поетапного розвитку показує, що при виконанні умови на якій-небудь ділянці шару порід підошви почнеться процес швидкого лавиноподібного поширення тріщини між породним шаром і основою, що приведе до втрати зв'язку між ними. Подальше деформування шару і його випирання усередину виробки обумовлено співвідношенням критеріїв втрати стійкості – ч і щ. При цьому можливі 6 варіантів співвідношення критеріїв ч і щ (рис. 5), що характеризують різний ступінь стійкості порід підошви.

Співвідношення ч < 1 < щ саме несприятливе й характеризує втрату повздовжньо-поперечної стійкості, що ускладнюється руйнуванням порід від стискаючих напружень; співвідношення щ < 1 < ч найбільш сприятливе – породи підошви повністю стійкі. Інші співвідношення відповідають проміжним стадіям стійкості порід.

Для встановлення залежності критичних напружень укр, що приводять до втрати повздовжньо-поперечної стійкості шарів підошви, від числа цих шарів nc, наявності вертикальних тріщин nт і привантаження підошви Gпр були проведені лабораторні дослідження з моделювання на еквівалентних матеріалах процесу втрати стійкості шаруватих порід підошви з використанням методу оптимального планування експерименту. Для цього розроблені лабораторний стенд і методика проведення експерименту, за результатами якого отримані рівняння регресії для кодованих значень факторів:

; (5)

і для дійсних значень:

; (6)

де х1 – відносна товщина шару (товщина шару, наведена до довжини прольоту породної балки 2а) 0,037 < х1 < 0,111;

х2 – число шарів, що втрачають стійкість 1 < х2 < 3;

х3 – число вертикальних тріщин у шарі 0 < х3 < 2;

х4 – величина привантаження шарів, Н 0 < х4 < 0,36.

Проведені лабораторні дослідження показали, що виникнення ексцентриситету навантажень у порівнянні із центрально прикладеними по торцях породних шарів зовнішніми навантаженнями приводить до зменшення критичних напружень у десятки разів. Крім того, навіть при однаковій схемі прикладення навантажень, руйнування від втрати повздовжньо-поперечної стійкості шарів у більшості випадків, залежно від співвідношення вихідних факторів, відбувається при значеннях навантажень, у кілька разів менших, ніж при руйнуванні від згинаючих напружень. Отже, переважним механізмом розвитку здимання шаруватих порід підошви в гірничих виробках варто вважати повздовжньо-поперечний вигин шарів.

У результаті проведених досліджень запропоновані методики прогнозу здимання порід підошви й розроблені рекомендації з їх застосування. Очікуваний економічний ефект від застосування розроблених методик прогнозу досягається тим, що при правильному прогнозі здимання й застосуванні на його основі способів запобігання здимання підошви виключаються витрати, пов'язані з необхідністю підривки порід підошви; демонтуванням, а потім настиланням нових рейкових колій, установкою конвеєрів, іншого транспортного устаткування; перекріпленням виробки.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, у якій на основі вперше встановлених закономірностей і параметрів здимання шаруватих порід підошви вирішена актуальна науково-технічна задача прогнозування ймовірності здимання, втрати повздовжньо-поперечної стійкості шаруватих порід підошви гірничих виробок, що дає можливість своєчасно та раціонально застосовувати способи боротьби зі здиманням порід підошви в капітальних та підготовчих виробках вугільних шахт.

Основні результати роботи полягають у наступному:

1. Проведена статистична обробка інформації про здимання порід підошви в пластових підготовчих виробках на 699 шахтопластах Донбасу, виявлені найбільш значимі фактори, згруповані в безрозмірні комбінації (симплекси) і досліджений вплив кожного з них на ймовірність здимання підошви (помилка прогнозу 9…12%).

2. Встановлено, що величина підняття порід підошви U перебуває в степеневій залежності від ймовірності Р здимання, крім того, вона максимальна для способу охорони за схемою “бутова смуга (або штучне огородження) – масив”; оцінена вірогідність визначення величини U.

3. Розроблена математична модель здимання порід підошви з урахуванням їх шаруватості й взаємодії з масивом, шаруваті породи розглянуті як балки, що лежать на пружній (вінклеровській) основі під дією нерівномірного навантаження, розподіленого по торцях породної балки. Розроблено методику визначення потужності порід, схильних до здимання.

4. Встановлений вплив на характер деформування й величину прогинів породних шарів, що залягають у підошві виробки, їх товщини, міцності, модуля деформацій, коефіцієнта постелі, а також ширини виробки.

Показано, що, чим менше потужність шару породи, що здимається, тим ймовірніше "однобічне" здимання, що підтверджується відзначеними на практиці випадками "центрального" й "однобічного" здимання підошви.

5. Запропонований механізм розвитку втрати стійкості породного шару підошви у вигляді лавиноподібного поширення тріщини між породною балкою й основою, встановлена умова зародження тріщин розриву й втрати стійкості.

6. Встановлені критерії втрати стійкості шаруватих порід підошви – а) критерій втрати повздовжньо-поперечної стійкості й б) локальний нормований критерій руйнування порід . Ступінь стійкості порід підошви залежить від співвідношення критеріїв ч і щ. При цьому можливі 6 варіантів їх співвідношення.

7. Моделюванням втрати повздовжньо-поперечної стійкості шарів підошви досліджено вплив числа і товщини шарів, що втрачають стійкість; кількості вертикальних тріщин у шарі; привантаження порід підошви. Встановлено, що найбільший вплив на величину мають два останніх фактори.

8. Розроблені методика, пакет прикладних програм для ЕОМ й інструкція із прогнозування ймовірності здимання, величини підняття й втрати повздовжньо-поперечної стійкості шаруватих порід підошви, які дозволяють робити розрахунки для різного співвідношення гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов проведення й експлуатації виробок.

9. Ефективність застосування запропонованих методик прогнозу підтверджується розрахунком економічної ефективності. Так, очікуваний економічний ефект становить до 196 грн/п.м виробки. Він досягається за рахунок виключення витрат, пов'язаних з необхідністю підривки порід підошви; демонтуванням, а потім настиланням нових рейкових колій, установкою конвеєрів, іншого транспортного устаткування; перекріпленням виробки.

Основний зміст дисертації опублікований у роботах:

1. Литвинский Г.Г., Фесенко Э.В. Устойчивость слоистой почвы штреков // Сб. науч. тр. – Алчевск: ДГМИ, 2003. – Вып. 17. – С. 67 – 75.

2. Литвинский Г.Г., Фесенко Э.В. Метод прогноза пучения почвы в горных выработках // Уголь Украины. – 2004. – №1. – С. 9 – 11.

3. Литвинский Г.Г., Фесенко Э.В. Закономерности пучения пород почвы подготовительных выработок // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: „Гірничо-геологічна”. – Донецьк: ДонНТУ, 2004. – Вип. 72. – С. 19 – 23.

4. Литвинский Г.Г., Фесенко Э.В. Прогноз пучения почвы в пластовых подготовительных выработках // Разработка рудных месторождений. Науч.-техн. сб. – Кривой Рог: КТУ, 2004. – Вып. 87. – С. 100 – 103.

5. Литвинский Г.Г., Фесенко Э.В. Динамическая потеря устойчивости слоистых пород почвы // Изв. вузов. Горный журнал. – 2004. – №4. – С. 124 – 127.

6. Фесенко Э.В. Стенд для моделирования пучения слоистых пород почвы горных выработок // Сб. науч. тр. – Алчевск: ДонГТУ, 2004. – Вып. 18. – С. 144 – 150.

7. Литвинский Г.Г., Фесенко Э.В. Вероятностный метод прогноза пучения почвы в пластовых подготовительных выработках // Вестник Криворожского технического университета. Сб. науч. тр. – Кривой Рог: КТУ, 2005. – Вып. 8. – С. 36 – 40.

8. Литвинский Г.Г., Фесенко Э.В. Об особенностях пучения слоистой почвы горных выработок // Материалы международной научно-практической конференции “Уголь-Mining Technologies 2003”, посвященной 60-летию ГОАО “Луганскгипрошахт”. – Алчевск: ДГМИ, 2003. – С. 66 – 74.

9. Фесенко Э.В. Прогноз пучения почвы штреков // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: Материалы международной студенческой научно-технической конференции. Сб. науч. тр. – Донецк: “Норд-пресс”, 2004. – с. 74 – 75.

10. Литвинский Г.Г., Фесенко Э.В. Критерии устойчивости слоистых пород почвы // Горная геология, геомеханика и маркшейдерия: Материалы международной научно-технической конференции. Сб. науч. докладов. – Донецк: УкрНИМИ НАН Украины, 2004. – С. 330 – 335.

11. Литвинский Г.Г., Фесенко Э.В. Вероятность и величина пучения почвы горных выработок // Современные проблемы шахтного и подземного строительства: Материалы международного научно-практического симпозиума. –Донецк: Норд-Пресс, 2004. – Вып. 5. – С. 118 – 130.

12. Литвинский Г.Г., Фесенко Э.В. Особенности потери устойчивости и выдавливания слоистых пород почвы // Технология и проектирование подземного строительства: Вестник. – Донецк: Норд-пресс, 2003. – Вып. 3. – С. 127 – 134.

Особистий внесок здобувача в роботи, опубліковані в співавторстві: [1 – 3, 9] – формулювання цілей і задач досліджень, розробка й обґрунтування розрахункових схем; [4 – 7, 10, 12] – збір, обробка вихідних даних, аналіз результатів досліджень.

АНОТАЦІЯ

Фесенко Е.В. Прогноз та закономірності здимання шаруватих порід підошви гірничих виробок. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.04 - "Шахтне й підземне будівництво". – Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2005.

У дисертації викладені результати досліджень щодо встановлення закономірностей і розробці методики прогнозу здимання й втрати повздовжньо-поперечної стійкості шаруватих порід підошви гірничих виробок.

Досліджений вплив найбільш значущих факторів на ймовірність здимання, отримані узагальнені формули розрахунку ймовірності здимання й величини підняття порід підошви.

Вивчений механізм деформування і втрати стійкості шаруватих порід. Установлена координата максимального підняття й початку здимання, наведені критерії, співвідношення яких визначає ступінь стійкості порід підошви.

Проведено моделювання на еквівалентних матеріалах втрати стійкості шаруватих порід підошви.

Результати дослідження викладені в 12 наукових статтях.

Ключові слова: гірнича виробка, здимання, ймовірність, породи підошви, шаруватість, втрата стійкості, напружено-деформований стан.

АННОТАЦИЯ

Фесенко Э.В. Прогноз и закономерности пучения слоистых пород почвы горных выработок. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.04 – "Шахтное и подземное строительство". – Национальный горный университет, Днепропетровск, 2005.

В диссертации изложены результаты исследований по установлению закономерностей и разработке методики прогноза пучения и потери продольно-поперечной устойчивости слоистых пород почвы горных выработок.

На основании статистической обработки данных о пучении почвы на 699 шахтопластах Донбасса исследовано влияние наиболее значимых факторов на вероятность пучения, получены обобщенные формулы (с учетом всех факторов) расчета вероятности пучения. Проверка адекватности полученных формул подтвердила высокую степень сходимости разработанной методики прогноза (ошибка 9 – 12 %). На основе опубликованных данных, а также собранных с помощью анкет на шахтах Луганской области, исследована взаимосвязь между величиной поднятия пород почвы и вероятностью пучения, получены выражения для расчета величины пучения в различных горно-геологических и горнотехнических условиях проведения выработок.

Для изучения механизма пучения слоистых пород почвы с учетом их взаимодействия с нижележащим массивом разработана расчетная схема, согласно которой породы почвы представлены в виде балок на упругом (винклеровском) основании. Разработана методика определения мощности пучащих пород как радиуса зоны неупругих деформаций в углах выработки. Проведенные исследования позволили выявить характер влияния на величину прогибов породных балок и нагрузок на них геометрических и прочностных параметров слоев почвы. Кроме того, установлена зависимость координаты максимального поднятия и начала пучения от сочетания этих параметров.

Предложены два механизма (в зависимости от координаты места начала пучения), которые объясняют отмеченные на практике случаи "центрального" и "одностороннего" пучения почвы.

Предложен механизм развития потери устойчивости породного слоя почвы в виде лавинообразного распространения трещины между породной балкой и основанием, установлено условие зарождения трещин разрыва и потери устойчивости.

Разработаны и исследованы расчетные схемы деформирования породного слоя, залегающего в почве выработки, после его отрыва от основания, установлены критерии, сочетание которых определяет степень устойчивости пород почвы.

Разработаны расчетные схемы для исследования различных форм выпирания горных пород внутрь выработки, с помощью которых получены выражения по определению величины выпирания с учетом толщины пучащего слоя под действием боковых смещений пород.

Проведено моделирование на эквивалентных материалах процесса потери продольно-поперечной устойчивости слоистых пород почвы с использованием метода оптимального планирования эксперимента. Для этого разработаны лабораторный стенд и методика проведения эксперимента, по результатам которого получены уравнения регрессии, связывающие критические напряжения, приводящие к потере устойчивости слоев почвы, с особенностями их строения и залегания.

Разработаны рекомендации по применению предложенных методик прогноза пучения почвы в пластовых подготовительных выработках, методики прогноза потери продольно-поперечной устойчивости слоистых пород почвы в различных горно-геологических и горнотехнических условиях. Кроме того, для удобства пользования рекомендациями разработана инструкция и пакет прикладных программ для ЭВМ.

Результаты исследования изложены в 12 научных статьях.

Ключевые слова: горная выработка, пучение, вероятность, породы почвы, слоистость, потеря устойчивости, напряженно-деформированное состояние.

The SUMMARY

Fesenko E.V. The forecast and laws of the heave of layered sole’ rocks in mine workings. – the Manuscript.

The dissertation on obtaining a scientific degree of the candidate of technical science in specialty 05.15.04 – "Mine and underground construction" – National Mining University, Dnepropetrovsk, 2005.

In the thesis results of researches on an establishment of laws and suggested of an engineering method of the forecast heave and a raising of layered sole’ rocks in mine workings stated.

Influence of the most significant factors on probability heave of layered sole’ rocks is investigated, the generalized formulas of calculation of probability and a raising of rocks heave are received.

The mechanism of a raising of layered rocks is investigated. The coordinate of the maximal raising and the beginning heave is established, criteria which combination defines a degree of stability of sole’ rocks are given.

The simulation on equivalent materials of loss of stability of layered sole’ rocks is lead.

Results of research are published in 12 scientific articles.

Key words: mining development, heave, rocks of sole, bedding, stability, probability, criteria of sole’ heave.

ФЕСЕНКО Едуард Вікторович

Прогноз та закономірності здимання

шаруватих порід підошви

гірничих виробок

(Автореферат)

Підп. до друку 15.12.2005. Формат 60х90 1/16. Папір офс.

Друк RISO. Ум. друк. арк. 1. Зам. № 432. Наклад 100 пр.

Видавництво не несе відповідальності за зміст матеріалу, наданого автором до друку.

Видавець та виготовлювач:

Донбаський державний технічний університет

94204, Луганська обл., м. Алчевськ, пр. Леніна, 16. (ТВО "Ладо", ауд. 2113, т/факс 2-02-59)

Свідоцтво Держкомтелерадіо серія ДК, № 2010 від 12.11.2004