МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

МЕДЯНИК ВОЛОДИМИР ЮРІЙОВИЧ

УДК 622.273.116:622.268.6

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ

СПОСОБУ ОХОРОНИ ПІДГОТОВЧИХ ВИРОБОК

ПРИ КОМБІНОВАНІЙ СИСТЕМІ РОЗРОБКИ ПОЛОГИХ ПЛАСТІВ НА ВЕЛИКИХ ГЛИБИНАХ

Спеціальність: 05.15.02 - “Підземна розробка родовищ

корисних копалин”

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі підземної розробки родовищ у Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор, професор КОЛОКОЛОВ

кафедри підземної розробки родовищ Олег

Національного гірничого університету Васильович

Міністерства освіти і науки

України, Заслужений діяч науки

і техніки України (м. Дніпропетровськ).

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, ПОНОМАРЕНКО завідувач кафедри економіки підприємства Павло

Національного гірничого університету Іванович

Міністерства освіти і науки

України (м. Дніпропетровськ);

кандидат технічних наук, директор Західно- КИРИЧЕНКО

Донбаського науково-виробничого центру Володимир

“Геомеханіка”, лауреат Державної Якович

премії України, (м. Павлоград).

Провідна організація: Донбаський державний технічний університет, кафедра підземної розробки родовищ Міністерства освіти і науки України (м. Алчевськ).

Захист відбудеться “_21_” _жовтня_2005 р. о _14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03 із захисту дисертацій при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19, тел.(0562) 47-24-11.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, пр.К.Маркса,19).

Автореферат розісланий “_18_” _вересня_ 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03,

кандидат технічних наук, доцент В. І. Тимощук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Подальша розробка пологих вугільних пластів при переході до уклонних частин шахтних полів призвела до значного збільшення глибини ведення гірничих робіт. За останні 10 років середня глибина розробки в українській частині Донбасу досягла 870 м. Збереження досягнутого рівня й нарощування видобутку вугілля в перспективі призведуть до збільшення середньої глибини розробки до 1000 м і вимагатимуть освоєння глибин 1500-1600 м. У таких умовах очікується в ще більшому ступені погіршення гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов при попередньому оконтурюванні запасів підготовчими виробками. Це спричиняє зміну способів підготовки й систем розробки, схем транспортування й вентиляції.

Для боротьби з негативним проявом гірського тиску на глибоких шахтах Центрального району Донбасу спостерігається тенденція переходу на комбіновані й суцільні системи розробки. Негативного впливу від глибини розробки більшою мірою зазнають стовпові системи. Стовпова система, що повсюдно застосовувалася раніше, при переході гірничих робіт на великі глибини почала втрачати свої переваги внаслідок значного розриву в часі між завершенням відпрацьовування виїмкових стовпів і підготовкою нових, що значною мірою впливає на стійкість підготовчих виробок і порушує нормальну роботу очисних вибоїв. Це призводить до значних матеріальних і трудових витрат, підвищенню травматизму й недотриманню безпеки робіт, погіршенню техніко-економічних показників добувних дільниць. Незважаючи на великі обсяги ремонтних робіт й їх високу трудомісткість, протяжність виробок із незадовільним станом залишається значною.

Охорона гірничих виробок займає вагому частину у формуванні собівартості видобутку вугілля й, відповідно, його відпускної ціни. Зменшення витрат можливо тільки за рахунок раціонального планування й повторного використання виїмкових виробок. Правильно вибраний спосіб охорони виробок, своєчасний й якісний їх ремонт створюють потенційну можливість для використання бортових хідників повторно.

Таким чином, вибір науково-обгрунтованого способу охорони виробок на великих глибинах як і параметри його технології – актуальне науково-практичне завдання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами й темами

Дисертаційна робота виконана на кафедрі підземної розробки родовищ Національного гірничого університету відповідно до плану госпдоговірних робіт Міністерства освіти й науки України в період 2000-2005 рр. (тема 010162, № держреєстрації 0101U007900 і тема 010165, № держреєстрації 0102U004377; тема Р-567, № держреєстрації 0102U003043), які відповідають координаційному плану Міністерства освіти і науки України № 39 фундаментального напряму “Гірничі науки” в 2000-2005 рр.

Мета роботи – встановлення параметрів способу охорони підготовчих виробок при комбінованій системі розробки, що забезпечують їх стійкість і можливість повторного використання.

Для досягнення мети були поставлені наступні задачі:

1. Розробити спосіб охорони підготовчої виробки, що забезпечує її підтримку в межах склепіння природної рівноваги.

2. Дослідити параметри напружено-деформованого стану порід на сполученні очисної й підготовчої виробок при комбінованій системі розробки.

3. Обґрунтувати технологічні параметри запропонованого способу й здійснити його експериментальну перевірку в шахтних умовах.

4. Установити техніко-економічну ефективність запропонованого способу щодо його застосування на шахтах Чистяково-Сніжнянського району.

Ідея роботи полягає в забезпеченні стійкості підготовчої виробки шляхом формування навколо неї склепіння рівноваги створенням двосторонніх жорстких і піддатливих опор.

Об'єктом дослідження є процес формування стійкості підготовчих виробок при комбінованій системі розробки пологих пластів на великих глибинах.

Предметом дослідження є спосіб охорони підготовчої виробки, яку проводять слідом за очисним вибоєм.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених задач використовувався комплексний метод досліджень, що включає аналіз й узагальнення літературних і патентних джерел, математичне моделювання з використанням ЕОМ, лабораторні дослідження й шахтні інструментальні виміри. Оцінки результатів досліджень здійснені методами багато-лінійного кореляційного аналізу й техніко-економічного порівняння варіантів.

Наукові положення, що виносять на захист:

1. Формування навколо підготовчої виробки врівноваженого склепіння забезпечується охоронними смугами змінної жорсткості з наступними параметрами: жорстка частина бутової смуги шириною 8 м, піддатлива – 5 м із співвідношенням модулів Юнга жорсткої до піддатливої Еж/Еп=5,35 і розвантаженням масиву свердловинами довжиною 3 м і діаметром 250 мм із аналогічними співвідношеннями Еж/Еп=3,3, що дозволяє досягти безремонтної підтримки підготовчої виробки в гірничо-геологічних умовах Чистяково-Сніжнянського геолого-промислового району.

2. Раціональні параметри, що забезпечують розвантаження кріплення підготовчої виробки з допустимими відносними вертикальними і горизонтальними зсувами її контуру за умов охорони опорами змінної жорсткості при комбінованій системі розробки, визначаються лінійними залежностями зі значеннями трьох коефіцієнтів, що чисельно дорівнюють відношенню розмірів жорсткої і піддатливих охоронних опор.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Запропоновано й обґрунтовано ефективний спосіб охорони підготовчої виробки смугами змінної жорсткості, що забезпечують її положення в зоні розвантаження.

2. На основі аналізу напружено-деформованого стану порід навколо підготовчої виробки при комбінованій системі розробки для Чистяково-Сніжнянського геолого-промислового району встановлено лінійні залежності множинної кореляції максимальних вертикальних і горизонтальних деформацій контуру її кріплення від геометричних параметрів охоронних смуг змінної жорсткості.

3. Уперше визначено раціональні параметри охоронних смуг змінної жорсткості, при яких забезпечується розвантаження кріплення підготовчої виробки та симетричний характер розподілу гірського тиску в досліджуваній області.

4. Установлено особливості взаємодії системи “кріплення-бічні породи-охоронні смуги” у шахтних умовах при відробці пологих пластів на великих глибинах.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджуються застосуванням основних положень теорії деформації пластичних й пружнопластичних систем; великим обсягом виконаних експериментів і високим рівнем відповідності результатів теоретичних й експериментальних досліджень (розбіжність отриманих результатів 7-20%). Вірогідність наукових результатів, висновків, рекомендацій і можливість їх промислового використання підтверджена позитивними результатами шахтного експерименту.

Наукове значення роботи полягає в розкритті закономірностей розподілу напруг і зміщень порід навколо підготовчої виробки, що охороняється смугами змінної жорсткості та встановленні їх параметрів, які необхідно враховувати при виборі способу охорони й кріплення виробки для безремонтної її підтримки.

Практичне значення роботи полягає в наступному:

- розроблена методика розрахунку раціональних параметрів охоронних елементів змінної жорсткості;

- на основі методу граничних елементів (МГЕ) з використанням експериментальних даних розроблено новий розрахунковий алгоритм для аналізу напружено-деформованого стану системи “кріплення-бічні породи--охоронні смуги”;

- запропоновано технологічні рішення спорудження охоронних смуг змінної жорсткості відповідно до розроблених методик і нормативних документів.

Реалізація результатів роботи. Запропоновані заходи впроваджено в технологічні проекти при розробці й підготовці нових горизонтів глибоких шахт ДХК “Торезантрацит”.

Особистий внесок автора полягає в аналізі стану проблеми охорони повторно використовуваних виїмкових виробок; формулюванні мети, завдань досліджень і наукових положень; аналізі літературних джерел; аналізі й систематизації переваг комбінованої системи розробки, у розробці способу охорони підготовчої виробки, складанні розрахункового алгоритму способу охорони, дослідженні режимів роботи параметрів системи “кріплення-охоронні елементи змінної жорсткості” у натурних шахтних умовах; аналізі механічних властивостей бічних порід, обробці й систематизації отриманих результатів, формулюванні висновків за результатами досліджень.

Апробація роботи. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися на наукових конференціях: “Наукові читання, присвячені 125-річчю від дня народження Заслуженого діяча науки й техніки, лауреата Державної премії СРСР академіка Терпигорєва А.М. (Дніпропетровськ, 1998)”, “Форум гірників-2002” (16-19 жовтня, Дніпропетровськ); “Форум гірників-2003” (16-18 жовтня, Дніпропетровськ), на технічних нарадах спеціалістів шахт ДХК “Торезантрацит” (Торез, 2001-2002) и ДХК “Павлоградвугілля” (Павлоград і Першотравенськ, 2002-2003), а також на науково-методичних семінарах кафедри підземної розробки родовищ НГУ (Дніпропетровськ, 2002-2004).

Публікації

Основні наукові положення й отримані результати викладено у 7 друкованих роботах; з них 1 – авторське свідоцтво, 4 – статті в спеціалізованих виданнях, затверджених ВАК України; 2 – у матеріалах конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, висновків, переліку використаних джерел з 167 найменувань на 15 сторінках; містить 172 сторінки машинописного тексту, 37 рисунків, 13 таблиць й 3 додатків на 21 сторінці, які підтверджують практичне використання результатів роботи. Загальний обсяг роботи становить 193 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета й завдання досліджень, наведені наукові положення, що виносяться на захист, наукове й практичне значення роботи, а також дані про реалізацію роботи, її апробацію та публікації.

В першому розділі виконаний аналіз стану питання щодо охорони підготовчих виробок на великих глибинах, надана коротка характеристика гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов Чистяково-Сніжнянського району й наведені техніко-економічні показники роботи шахт, а також виконаний критичний аналіз робіт, присвячених дослідженню способів охорони підготовчих виробок на великих глибинах при різних системах розробки.

Питанню охорони підготовчих виробок у зоні впливу очисних робіт присвячено багато наукових праць співробітників інститутів ВНІМІ, ІГТМ, НГУ, Дніпродіпрошахт, ДонНТУ, ДДТУ, МДГУ, працівників шахт й об'єднань та інших.

При вирішенні питань охорони виробок на великих глибинах є суперечливі погляди щодо характеру деформації й стійкості підготовчих виробок, що вимагає постановки досліджень у конкретних гірничо-геологічних умовах. Таким умовам відповідають глибокі горизонти шахти “Прогрес”, що є типовими для цілого регіону.

Для певних умов відпрацьовування пологих пластів при суцільній, комбінованій і стовповій системах розробки охороняти виїмкові штреки від гірського тиску доцільно не одним з розглянутих вище способів, а використавши їх у різному сполученні або комбінації окремих елементів. Таким чином, особливо заслуговують на увагу комбіновані способи охорони виробок. При цьому повинно вирішуватися основне завдання: зниження загальної напруженості порід, що вміщають виробку, до мінімуму для того, щоб забезпечити стійкість підготовчої виробки на період експлуатації.

Несприятливий стан штреку пояснюється тим, що породи, які його вміщують, і кріплення потрапляють у зону високого опорного тиску. У роботі пропонується розташовувати елементи охорони підготовчої виробки так, щоб породи, що вміщують, довкола неї були розвантажені від напруг. Тому для забезпечення найбільш ефективної охорони бортового хідника (штреку) на ділянці, де з одного боку знаходиться масив вугілля, а з другого – бутова смуга, необхідно підвищений опорний тиск із боку масиву вугілля змістити на деяку відстань від штреку вглиб масиву, а також відсунути бутову смугу, що концентрує напругу в штреку, вглиб виробленого простору.

У другому розділі викладено теоретичні дослідження параметрів охорони підготовчої виробки при комбінованій системі розробки. Розкрито сучасні тенденції підземної розробки вугільних пластів Донбасу й визначена перспектива застосування комбінованої системи розробки пологих пластів на великих глибинах.

В основу роботи покладений винахід [5], де вирішено технічне завдання вдосконалення способу охорони підготовчої виробки шляхом формування над виробкою склепіння природної рівноваги. У міру посування очисного вибою досягається необхідний перерозподіл і зниження концентрацій напруг у товщі гірських порід над виробкою усередині склепіння та за рахунок цього підвищується стійкість і безремонтна підтримка виробки в процесі експлуатації. Поставлене завдання вирішується тим, що спосіб охорони підготовчої виробки полягає у зведенні позад лави на бермі виробки постійної бутової опорної смуги з породи. У міру посування очисного вибою, з боку виробленого простору і між ними формують комбіновану бутову смугу біля виробки та виробленого простору й між ними – жорстку, при цьому одночасно на бермі виробки з боку вугільного масиву – піддатливу й жорстку опори в ньому, що забезпечують утворення над виробкою у верхній товщі порід склепіння природної рівноваги. Вищенаведене технічне рішення забезпечує досягнення результату за рахунок створення над виробкою зони низьких концентрацій напруг усередині склепіння рівноваги, що дозволить підтримувати виробку в масиві, розвантаженому від підвищеного опорного тиску. Незначний гірський тиск, що виникає від ваги верхніх порід, розташованих усередині контуру склепіння природної рівноваги, буде стійко сприйматися застосовуваними конструкціями кріплення виробки та піддатливими смугами навколо виробки. У цьому випадку знижується необхідність у ремонтних роботах і зведенні кріплення з високою здатністю до навантаження.

Також у розділі проаналізовано гіпотези утворення склепіння й зроблено вибір методу розрахунку напружено-деформованого стану масиву гірських порід, на основі якого визначаються раціональні параметри охорони для конкретних гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов.

У третьому розділі наведені дослідження з розрахунку напружено-деформованого стану порід навколо підготовчої виробки. Для можливості повторного використання підготовчої виробки, проведеної при комбінованій системі розробки вугілля слідом за посуванням лави, необхідно забезпечити її експлуатаційну стійкість способом, описаним вище. Ставиться завдання визначення раціональних параметрів бутової смуги змінної жорсткості, що охороняє виробку з боку виробленого простору, і піддатливої опори, створюваної вибурюванням вугілля з боку масиву.

Раціональними вважаються такі розміри жорсткої та піддатливої частин бутової смуги й така ширина піддатливої опори, при яких деформація контуру виробки не перевищує допустимих значень.

Виходячи з вимог правил безпеки при перерізі бортового хідника 11,2 м2 його висота може зменшитися від 3130 до 2102 мм, а ширина від 4180 мм до 2468 мм.

Розрахункова схема наведена на рис.1.

Рис.1. Розрахункова схема до визначення напружено-деформованого стану гірського масиву в досліджувальній області : де L1 – жорстка охоронна смуга; L2 – піддатлива охоронна смуга; L3 – розвантажений вугільний масив; В – ширина виробки

Напружено-деформований стан у в досліджувальній області визначався методом граничних елементів у формі фіктивних навантажень із використанням аналітичного рішення відомої задачі Кельвіна про дію нормальних і тангенціальних сил, рівномірно розподілених на відрізку в нескінченному пружному середовищі.

Задача вирішувалась в додаткових напругах. Повні напруги покладалися рівними сумі початкових, які обумовлені вагою порід, і додаткових, виникаючих у масиві в результаті утворення виробки. Сумарні напруги на контурі виробку за умовою задачі дорівнюють нулю. Це означає, що додаткові напруги на ньому рівні H у вертикальному та H – у горизонтальному напрямках ( = ) коефіцієнт бічного розпору, коефіцієнт Пуассона). На контактах взаємодіючих елементів досліджуваного об'єкта (покрівля - жорстка частина закладки - підошва; покрівля - вугільний пласт - підошва; кріплення - порода) задавалися умови спільності деформацій.

Граничні умови на вільному контурі:

, . (1)

На контактах взаємодіючих елементів системи:

, ; (2)

, . (3)

Вихідна система рівнянь розв'язуваного завдання формується з урахуванням кінцево-елементної апроксимації границь досліджуваної області, показаної на рис. 2.

Вона включає сім областей: С1 – породний масив у покрівлі пласта; С2 – вугільний пласт; С3 – піддатлива опора; С4 – піддатлива закладна смуга; С5 – жорстка закладна смуга; С6 – вироблений простір; С7 – породний масив у підошві пласта. Границі областей Сk (k = 1, 2, 3, 4, 5, 6) апроксимуються відповідно Nk елементами, кількість яких залежить від довжини розглянутих границь L1, L2, L3.

Рис. 2. Схема граничних умов

У загальному випадку вихідна система алгебраїчних рівнянь із 2N невідомими фіктивними силами, що за своєю суттю описує задані граничні умови на вільних контурах досліджуваної області й умови спільності деформацій – на суміжних, має вигляд:

(4)

i = 1, 2, 3, ..., N

Праві частини рівнянь , і коефіцієнти , , , визначаються за формулами базового аналітичного рішення.

Вирішуючи отриману в такий спосіб систему 2N лінійних алгебраїчних рівнянь, знаходимо сили і , а потім, відповідно до принципу суперпозиції з урахуванням формул базового аналітичного рішення, розраховуємо зсуви й напруги в будь-якій точці досліджуваної області.

Кріплення виробки розглядалося як двошарова конструкція металева частина й приєднана до неї частина породного масиву. При цьому за методикою Л. В. Новікової існуюча форма поверхні металевого кріплення замінялася циліндричною. Товщина циліндричної поверхні вважалася рівною висоті профілю h, з якого виготовлене кріплення, а модуль пружності замінявся приведеним. Величина приведеного модуля Епр призначалася такою, щоб циліндричне кріплення було еквівалентне за жорсткістю реальному кріпленню на ділянці, довжина якої дорівнює кроку установки кріплення lо, тобто щоб виконувалася умова:

, (5)

де: Ест, Iст модуль пружності сталі й момент інерції профілю кріплення.

У розглянутому конкретному випадку використовується кріплення КМП-А3-22/11,2, для якого Ест = 2105 МПа, Iст= 0,56610-5 м4, lo =0,85 м.

Визначений за цими даними приведений модуль пружності склав 1,2104 МПа.

Розрахунки виконувалися при різних значеннях параметрів жорсткої L1 і піддатливої L2 частин бутової смуги. Варіювалася також ширина L3 піддатливої опори з боку масиву.

Виходячи з можливих границь зміни варійованих величин відношення L1/L2 у розрахунках приймали значення [1,6 – 12,0], а відношення L3/L2 належало області [1/5 – 5].

Зазначені величини (uу)max і (uх)max обумовлені тільки деформацією самого кріплення.

Аналіз отриманих даних показав, що деформації контуру кріплення перебувають у тісному взаємозв'язку з відношеннями L1/L2 й L3/L2 (див. табл. 1)

Таблиця 1

Результати кореляційного аналізу |

(uх)max | (uу)max | K2 = L3/L2 | K21 = L2/L1 | K31 = L3/L1

(uх)max | 1,00 |

0,97 | -0,28 | 0,71 | 0,81

(uу)max | 0,97 |

1,00 | -0,25 | 0,77 | 0,82

K2 = L3/L2 | -0,28 |

-0,25 | 1,00 | -0,65 | 0,27

K21 = L2/L1 | 0,71 |

0,77 | -0,65 | 1,00 | 0,30

K31 = L3/L1 | 0,81 |

0,82 | 0,27 | 0,30 | 1,00

На основі кореляційного аналізу результатів виконаних розрахунків знайдені співвідношення для відносних максимальних вертикальних і горизонтальних деформацій контуру кріплення:

; (6)

; (7)

Коефіцієнти кореляції встановлених залежностей мають значення відповідно r2 = 0,931 й r2 = 0,990.

Розрахунки за формулами показав, що при L1 = 8 м, L2 = 5 м, L3 = 3 м деформації контуру кріплення в перерізі виробки становлять = 36,4 мм і = 357,6 мм.

Розраховані значення не перевищують значень, що допускаються “Правилами безпеки у вугільних і сланцевих шахтах”. З цієї точки зору параметри L1 = 8 м, L2 = 5 м, L3 = 3 м можна вважати раціональними для розглянутих гірничо-геологічних умов.

Для підтвердження сформульованого в попередньому розділі висновку про раціональні параметри смуг змінної жорсткості, що забезпечують стійкість підготовчої виробки, що охороняється, наведемо епюри розрахованих напруг уу в досліджуваній області масиву.

На рис. 3 показано напруги уу в різних перерізах покрівлі пласта, а на рис. 4 підошви пласта.

Важливо те, що над кріпленням формується зона “склепіння рівноваги” зона розвантаження.

Епюри напруг уу симетричні щодо вертикальної осі кріплення. Відзначимо, що при інших значеннях цих параметрів симетрія картини розподілу напруг порушується й збільшуються переміщення точок контуру.

Рис. 3. Напруга в покрівлі пласта: де а – Y = 2 м; б – Y = 4 м; в – Y = 9 м; г – Y = 15 м

Рис. 4. Напруга в підошві пласта

Для рішення поставленої задачі використовувалося імітаційне математичне моделювання за методом МГЕ. Був застосований експериментально-аналітичний підхід. В натурних умовах замірялося додаткове навантаження (?Р) на бутову смугу та підбиралися такі параметри взаємодіючих елементів систем жорсткості, які забезпечують це навантаження на даному рівні. Додаткове навантаження (?Р) дозволяє враховувати часовий фактор і відстань до очисного вибою. Тим самим досягається одержання достатньо простих, зручних і придатних для практичного застосування залежностей щодо розподілу напруг навколо підготовчої виробки.

На вільних поверхнях задаються умови рівності нулю напруг переміщень, а зсуви витікають із умови рішення задачі. На контактуючій поверхні – умови спільності деформації. Скориставшись результатами вимірів і використовуючи ?Р, отримуємо реальні зсуви на пружних моделях. Ця ідея та ж, що й у методі пружно-пластичних малих рішень (Ілюшина) – так вирішується задача пластичності, це й метод додаткових деформацій, і змінних модулів в Ж.С. Ержанова (програми рішення фізично нелінійних завдань).

Таким чином, вирішена пружна плоска задача із додатковим навантаженням, що виміряне в шахтних умовах. Це задано в граничних умовах і дозволяє одержати реальні, відповідні конкретним умовам дані зсуву (зближення покрівлі і підошви) у підготовчих виробках.

У четвертому розділі наведено експериментальні дослідження технології охорони підготовчої виробки при комбінованій системі розробки пологих пластів на великих глибинах.

Для перевірки правильності основних теоретичних положень й одержання фактичних параметрів охорони підготовчих виробок при різних системах розробки на шахті “Прогрес” ДХК “Торезантрацит” проведений ряд натурних досліджень. Крім цього, метою шахтних досліджень були перевірка працездатності запропонованої технології й установлення її основних техніко-економічних показників.

Дослідження виконувалися в 7-й південнїй й 16-й західній лавах південної панелі №1 пласта h8 “Фомінський” шахти “Прогрес” ДХК “Торезантрацит”. Ці лави відпрацьовувалися за підняттям при комбінованій системі розробки. Для порівняння результатів дослідження проводилися також у 2-й лаві південної панелі № 3, що відпрацьовує пласт h8 “Фомінський” за стовповою системою розробки. Для одержання достовірної й об'єктивної інформації про характер і закони розподілу напруг, а також фактичних величин параметрів проявів гірського тиску в зонах взаємовпливу очисних і підготовчих виробок була розроблена “Робоча методика” (проведення шахтних досліджень прояву гірського тиску при проведенні й експлуатації підготовчих виробок на шахтах, що розробляють пологі пласти за комбінованою системою розробки), відповідно до якої проводилися натурні дослідження. Був також зроблений вибір устаткування для зведення смуг змінної жорсткості й безпосередньо апробований у шахтних умовах. Сполучення 7-ї дослідно-промислової лави ЮП №3 пласта h8 з 8-м південним бортовим хідником наведено на рис. 5. Для визначення фізико-механічних властивостей закладного матеріалу були проведені лабораторні дослідження.

На підставі аналізу стану гірничих виробок на гор.1213-1340 м шахти “Прогрес” обґрунтований спосіб охорони й проведення 8-го бортового хідника пласта h8 “Фомінський” як об'єкта для постановки й проведення експериментальних досліджень. Застосування запропонованого способу охорони бортового хідника смугами змінної жорсткості на експериментальній ділянці підтвердило його надійність й ефективність.

Рис. 5 Сполучення 7-ї дослідно-промислової лави ЮП №3 пласта h8 з 8-м південним бортовим хідником

Експериментально встановлені величини зсувів бічних порід, визначені навантаження в різних ділянках охоронних елементів навколо виробки, що охороняється смугами змінної жорсткості при різних параметрах жорсткої й піддатливої частин бутових смуг. Найменші зсуви мають місце при розмірі жорсткої частини бутової смуги 8 м, піддатливої – 5 м і розвантаженні свердловинами 3 м. Виявлено, що створення смуг змінної жорсткості забезпечує симетричне навантаження елементів кріплення підготовчої виробки у межах її піддатливості, а також створюються сприятливі й однакові в межах усього шахтного поля геомеханічні умови ведення гірничих робіт, що характеризуються відсутністю небезпечних концентрацій напруг у породах поблизу підготовчих виробок. За таких умов бортовий хідник (штрек) може бути успішно використаний повторно як вентиляційний, задовольняючи ПБ і нормальній роботі наступного очисного вибою. Результати шахтних експериментальних вимірів підтвердили отримані вище результати аналітичних розрахунків з вірогідністю до 20%.

Економічний ефект від застосування комбінованих систем розробок й удосконалювання способу охорони підготовчих виробок становить 105961 грн.

Результати виконаних досліджень знайшли відображення в робочій документації відпрацьовування виїмкових полів і впроваджені на шахті “Прогрес” ДХК “Торезантрацит”

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій вирішене актуальне наукове завдання щодо обґрунтування раціональних параметрів способу охорони підготовчої виробки при комбінованій системі розробки пологих пластів на великих глибинах при збереженні високих навантажень на очисний вибій, що забезпечує залишення породи в шахті, зниження обсягів підготовчих і ремонтних робіт у виробках дільниці.

Основні наукові й практичні результати роботи полягають у наступному:

1. Обґрунтовано доцільність застосування способу охорони для повторного використання підготовчих виробок смугами змінної жорсткості при комбінованій системі розробки пологих пластів на великих глибинах.

2. Зроблено оцінку стійкості підготовчої виробки з урахуванням впливу очисних робіт на основі узагальнення положень теорії склепіння природної рівноваги й розрахункового методу граничних елементів.

3. Розроблено розрахунковий алгоритм для рішення плоских задач геомеханіки для пружних неоднорідних породних масивів зі складною геометрією, з використанням сучасних ЕОМ.

4. Установлено нові залежності максимальних вертикальних і горизонтальних зсувів контуру кріплення повторно використовуваної підготовчої виробки від геометричних параметрів охоронних смуг змінної жорсткості, у результаті кореляційного аналізу результатів 125 варіантів розрахунку, виконаних для конкретних гірничо-геологічних умов шахт Чистяково-Сніжнянського промислового району.

5. Розроблено й обґрунтовано принцип вибору раціональних параметрів конструктивно-технологічної схеми кріплення й охорони підготовчої виробки при комбінованій системі розробки, що базується на розгляді її окремих елементів як взаємовпливної системи, в якій геометричні й механічні параметри охоронної смуги змінної жорсткості є інструментом для формування сприятливої (з погляду стійкості виробки) епюри навантаження на кріплення. У шахтних умовах і на моделі встановлено, що аркове кріплення КМП-А3-22/11,2 при створенні смуг змінної жорсткості має симетричне навантаження її елементів, а це сприятливо позначається на роботі системи “кріплення-бічні породи”.

6. Виходячи з аналізу НДС, установлені раціональні параметри нового способу охорони підготовчих виробок для гірничо-геологічних умов шахт Чистяково-Сніжнянського промислового району. Вони досягаються шляхом формування склепіння рівноваги охоронними смугами змінної жорсткості: жорстка частина смуги шириною 8 м; піддатлива – шириною 5 м і розвантаженням масиву свердловинами довжиною 3 м.

7. Економічна ефективність застосування комбінованих систем розробок визначена в істотній мірі зменшенням обсягу проведення й ремонту підготовчих виробок за рахунок удосконалювання способу їх охорони та забезпечення можливості повторного використання і становить 105961 грн.

8. Результати виконаних досліджень знайшли відображення в робочій документації відпрацьовування виїмкових полів і впроваджені на шахті “Прогрес” ДХК “Торезантрацит”.

Основні положення й результати дисертації опубліковані в наступних роботах:

1. Медяник В.Ю. Охрана подготовительных выработок глубоких шахт // Сб.научн.тр.НГУ.–№ 15, Том 1. Днепропетровск: РИК НГУ, 2002. С. 122-126.

2. Колоколов О.В., Медяник В.Ю., Расстрига В.П. Определение основных технологических параметров комбинированной системы разработки в условиях глубоких шахт Чистяково-Снежнянского промышленного региона // Науковий вісник НГУ. –2004. №7. С. 12-15.

3. Колоколов О.В., Медяник В.Ю. Эффективная технология очистных работ при разработке пологих пластов на больших глубинах // Сб. научн. тр. НГАУ. –№ 5. “Проблемы аэрологии горнодобывающих предприятий”. –Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1999. С. 34-40.

4. Бузило В.И., Васильев В.Е., Кошка А.Г., Мамайкин А.Р., Медяник В.Ю. Исследование состояния выемочных штреков при отработке сближенных пластов Западного Донбасса // Сб. научн. тр. КТУ “Разработка рудных месторождений” Выпуск. 87, 2004. С. 32-34.

5. Спосіб охорони підготовчої виробки /О.В. Колоколов, М.М. Табаченко, В.Ю. Медяник та ін. Деклараційний патент № 36714 А (UA) від 01.02.2000. № д.р.2000020523. Опубл. 16.04.2001. Бюл.№3.

6. Медяник В.Ю., Медяник Ю.А. Поддержание подготовительных выработок при комбинированной системе разработки на глубоких горизонтах // Мат. конф. Форум горняков -2002 / Науковий вісник НГАУ. 2002. №6. С. 50-52.

7. Новикова Л.В., Заславская Л.И., Медяник В.Ю. Обоснование способа охраны повторно используемой подготовительной выработки // Мат. междун. конф. Форум горняков -2003 / Сб. научн. тр. НГУ.–№ 17, том 1. Днепропетровск: РИК НГУ, 2003. С.22-25.

Особистий внесок автора в роботи, опубліковані в співавторстві, полягає в наступному: [2] аналіз літературних джерел, обробка й систематизація даних щодо визначення пріоритетних факторів у формуванні напружено-деформованого стану при комбінованій системі розробки; [1-4] участь у проведенні досліджень, обробка й систематизація отриманих результатів; [5] – розробка способу охорони підготовчої виробки; [6] аналіз і систематизація переваг комбінованої системи розробки; [7] розробка розрахункового алгоритму способу охорони.

АНОТАЦІЯ

Медяник В. Ю. “Обґрунтування параметрів охорони підготовчих виробок при комбінованій системі розробки пологих пластів на великих глибинах”. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.02 – “Підземна розробка родовищ корисних копалин”. Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2005.

Захищаються параметри вдосконаленого способу охорони підготовчих виробок смугами змінної жорсткості для їх повторного використання при комбінованій системі розробки пологих пластів на великих глибинах.

На основі узагальнення положень теорії склепіння рівноваги й розрахункового методу граничних елементів зроблена оцінка стійкості підготовчої виробки, з урахуванням впливу очисних робіт.

Розроблено ефективний розрахунковий алгоритм для оцінки напружено-деформованого стану для рішення плоских задач геомеханіки для пружних неоднорідних породних масивів зі складною геометрією з використанням сучасних ЕОМ. На основі аналізу НДС і натурних досліджень визначені раціональні параметри охоронних смуг і кріплення підготовчої виробки. Установлено нові залежності максимальних вертикальних і горизонтальних зміщень контуру кріплення повторно використовуваної підготовчої виробки від геометричних параметрів охоронних смуг змінної жорсткості.

Розроблено й апробовано у шахтних умовах механізований спосіб зведення смуг змінної жорсткості.

На основі техніко-економічного аналізу витрат по видобувним дільницям встановлено, що підтримка дільничних виробок при комбінованій системі розробки по пласту h8 на глибоких горизонтах, при збереженні високих навантажень на очисний вибій більш ефективна, ніж при стовповій з погляду залишення породи в шахті, зниження обсягів підготовчих і ремонтних робіт у виробках дільниці.

Результати виконаних досліджень знайшли відображення в робочій документації відпрацьовування виїмкових полів і впроваджені на шахті “Прогрес” ДХК “Торезантрацит”.

Основний зміст роботи відображено в авторському свідоцтві на винахід (патент) та 6 статтях.

Ключові слова: охорона підготовчих виробок, комбінована система розробки, пологі пласти, напружено-деформований стан, склепіння рівноваги, глибокі горизонти.

АННОТАЦИЯ

Медяник В.Ю. “Обоснование параметров охраны подготовительных выработок при комбинированной системе разработки пологих пластов на больших глубинах”. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.02 – “Подземная разработка месторождений полезных ископаемых”. Национальный горный университет, Днепропетровск, 2005.

Защищаются параметры усовершенствованного способа охраны полосами переменной жесткости для повторного использования подготовительных выработок при комбинированной системе разработки пологих пластов на больших глубинах.

На основе обобщения положений теории свода равновесия и расчетного метода граничных элементов произведена оценка устойчивости подготовительной выработки с учетом влияния очистных работ.

Разработан эффективный расчетный алгоритм для оценки напряженно-деформированного состояния для решения плоских задач геомеханики для упругих неоднородных породных массивов со сложной геометрией с использованием современных ЭВМ. На основе анализа НДС и натурных исследований определены рациональные параметры охранных полос и крепи подготовительной выработки для конкретных горно-геологических условий. Установлены новые зависимости максимальных вертикальных и горизонтальных смещений контура крепи повторно используемой подготовительной выработки от геометрических параметров охранных полос переменной жесткости.

Разработан и апробирован в шахтных условиях механизированный способ возведения полос переменной жесткости.

Установлены величины смещений боковых пород, определены нагрузки в различных участках охранных элементов вокруг выработки, охраняемой полосами переменной жесткости при различных параметрах жесткой и податливой частей бутовых полос. Наименьшие смещения имеют место при размере жесткой части бутовой полосы 8 м, податливой 5 м и разгрузке скважинами – 3 м. Выявлено, что создание полос переменной жесткости обеспечивает симметричное нагружение элементов крепи подготовительной выработки в пределах ее податливости, а также создаются благоприятные условия ведения горных работ, характеризующиеся отсутствием опасных концентраций напряжений в породах окрестности подготовительных выработок. При таких условиях бортовой ходок (штрек) может быть успешно использован повторно в качестве вентиляционного, удовлетворяя ПБ и нормальной работе последующего очистного забоя.

Результаты шахтных экспериментальных измерений подтвердили полученные выше результаты аналитических расчетов, с достоверностью до 20%.

На основе технико-экономического анализа затрат по добычным участкам установлено, что поддержание участковых выработок при комбинированной системе разработки по пласту h8 на глубоких горизонтах, при сохранении высоких нагрузок на очистной забой более эффективно, чем при столбовой с точки зрения оставления породы в шахте, снижения объемов подготовительных и ремонтных работ в выработках участка.

Результаты выполненных исследований нашли отражение в рабочей документации отработки выемочных полей и внедрены на шахте “Прогресс” ГХК “Торезантрацит”.

Основное содержание работы отражено в авторском свидетельстве на изобретение (патенте) и 6 статьях.

Ключевые слова: охрана подготовительных выработок, комбинированная система разработки, пологие пласты, напряженно-деформированное состояние, свод равновесия, глубокие горизонты.

ANNOTATION

Medjanik V.J. “Protection parameters substantiation of developments workings using combined system of flat seam development on the large depths”. – Manuscript.

The dissertation on scientific degree of candidate of technical science on specialty 05.15.02 – “Underground mining of mineral deposits”. National Mining University, Dnipropetrovsk, 2005.

Parameters of perfecting safety method of protection for repeated using development working by strips of variable rigidity while using combined system of flat seam development on the large depths are considered.

On the basis of balance arch and calculating method of boundary elements stability estimation of development workings taking into account stoping influence has been made.

The effective calculating algorithm of stress and stain conditions of flat geomechanic tasks for elastic non-uniform rocks massif with difficult geometry using modern computers has been developed. On the basis of analysis of stress and strain conditions and natural researches rational parameters of strips and development working support have been determined. New dependences of maximum vertical and horizontal displacement of the support contour repeated using by development working from geometrical parameters of safety strips of variable rigidity have been established.

Mechanized method of variable rigidity safety strips construction in mining conditions has been developed.

By using technical and economic analysis of site expenses it is proved that maintenance of local workings using combined system of development on a seam h8 on deep horizons is more effective, than pillar method from the point of view of rock filling in the mine, decreasing in volumes of development workings and repairing works in workings preserving high site extraction from the stope.

Results of these researches have been introduced in the mine “Progress” SHC “Torezantratsit”.

The basic content of work is reflected in copyright certificate and 6 articles.

Key words: protection of development workings, combined system of extraction, flat seams, stress and strain condition, arch balance, deep horizons.