НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОТЕХНІЧНОЇ МЕХАНІКИ ім. М.С.ПОЛЯКОВА

ГРЕБЬОНКІНА Олександра Сергіївна

УДК 622.831.24

ГЕОМЕХАНІЧНЕ ОБҐРУНТУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ
РІШЕНЬ ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ВИЇМКИ
КРУТИХ ВУГІЛЬНИХ ПЛАСТІВ, СХИЛЬНИХ
ДО ГАЗОДИНАМІЧНИХ ЯВИЩ

05.15.11 – “Фізичні процеси гірничого виробництва”

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті геотехнічної механіки ім. М.С.Полякова Національної академії наук України (ІГТМ НАН України).

Науковий керівник:

кандидат технічних наук
Півень Юрій Анатолійович,
директор Донбаського науково-дослідного та проект-но-конструкторського
вугіль-ного інституту (ДонНДІ) Мінвуглепрому України (м. Горлівка).

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук
Анциферов Андрій Вадимович,
директор Українського державного науково-дослідного та проектно-конструкторського інституту гірської геології, геомеханіки
та маркшейдерської справи (УкрНДМІ) НАН України (м. Донецьк);

кандидат технічних наук
Гладка Олена Вікторівна,
науковий співробітник інституту фізики гірничих процесів НАН України
(м. Донецьк).

Провідна установа:

Національний гірничий університет Міністерства освіти та науки України, кафедра підземної розробки родовищ (м. Дніпропетровськ).

Захист відбудеться 02 червня 2006 року о 1330 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д08.188.01 при Інституті геотехнічної ме-ханіки ім. М.С.Полякова НАН України за адресою: 49005, м. Дніпро-петровськ, вул. Сімферопольська, 2а, факс (0562) 462426.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту геотехніч-ної механіки ім. М.С.Полякова НАН України за адресою: 49005, м. Дні-пропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а.

Автореферат розіслано 28 квітня 2006 року.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
доктор технічних наук В.Г.Перепелиця

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розробка крутих вугільних пластів Централь-ного району Донбасу в теперішній час ведеться в складних гірничо-геологічних умовах. До числа факторів, що ускладнюють видобуток, належать необхідність розробки свит зближених пластів, серед яких понад 50% схильні до раптових обвалень, велика глибина ведення гір-ничих робіт (700-1100 м), висока температура (до 40°С) і нестійкість бічних порід (80% випадків).

У зв’язку з можливими змінами гірничо-геологічних умов у межах виймальних ділянок, блоків і шахтних полів важливо оцінити ступінь впливу різних геомеханічних процесів на якість інженерних рішень щодо вдосконалення розробки крутих пластів на великих глибинах. У теперішній час напружено-деформований стан масиву гірничих порід у специфічних гірничо-геологічних та гірничотехнічних умовах крутих пластів вивчено недостатньо. Відомо, що розміри напруг у на-турних умовах істотно відрізняються від розрахункових, а проблеми керування гірським тиском при розробці крутих пластів Донбасу за-лишаються одними із найскладніших. Крім того, недостатньо вивчена динаміка напружено-деформованого та газодинамічного станів при-вибійного масиву вугілля в зоні впливу очисної виїмки.

У зв’язку із цим, геомеханічне обґрунтування технологічних рі-шень підвищення ефективності виїмки крутих вугільних пластів є ак-туальною науково-практичною задачею, що має важливе значення для вуглевидобувної галузі.

Зв’язок теми дисертації з науковими планами, програмами і те-мами. Дисертаційна робота виконана в рамках держбюджетних тем: “Наукові основи геофізичної діагностики структурно-фазових про-цесів у природно-техногенних системах, що самоорганізуються, з ме-тою прогнозу їх критичного геомеханічного стану”, № держреєстра-ції РК 01031U004019 і “Механіка гірських порід, техніка та технології безпечного видобутку вугілля високонавантаженими лавами”, № де-ржреєстрації 0102U006126.

Метою роботи є комплексне геомеханічне обґрунтування парамет-рів нових технологічних рішень з підвищення безпеки та ефективності виїмки крутих вугільних пластів.

Ідея роботи полягає у використанні геомеханічних закономірнос-тей поведінки гірського масиву навколо діючої лави в природно роз-вантаженій і дегазованій крайовій частині вугільного пласта для ра-ціонального вибору параметрів очисної виїмки.

Об’єкт досліджень – вуглепородний масив навколо очисного вибою при розробці крутих пластів.

Предмет досліджень – геомеханічні процеси при очисній виїмці крутих вугільних пластів.

Для досягнення поставленої в роботі мети сформульовані наступні задачі досліджень:

1. Виконати аналітичні дослідження напружено-деформованого стану вуглепородного масиву та геомеханічних процесів у привибій-ній частині вугільного пласта.

2. Виконати експериментальні дослідження з вивчення геомеханіч-них процесів у вугільному масиві при веденні очисних робіт.

3. Провести лабораторні та шахтні дослідження, перевірити право-мірність і обґрунтованість теоретичних передумов з геомеханічного обґрунтування нових технологічних рішень.

4. Виконати геомеханічне обґрунтування нових технологічних рі-шень щодо підвищення безпеки та ефективності виїмки крутих вугіль-них пластів.

Методи досліджень. У роботі використані: комплексний метод досліджень, що включає аналіз і узагальнення експериментальних і теоретичних досягнень з даної проблеми; методи теорії пружності, механіки гірських порід, методи рішення інтегральних рівнянь і об-числювальної математики; лабораторні та натурні інструментальні спостереження; статистична обробка результатів вимірювань.

Основні наукові положення, що захищаються в дисертації:

1. Величина зони опорного тиску залежить від співвідношення фі-зико-механічних характеристик покрівлі очисного вибою та вугільно-го пласта і від розмірів зони розвантаженого масиву. У середньому, при ширині зони опорного тиску l = 30 м, максимум опорного тиску, рівний , розташований в 6,0 м від лінії вибою.

2. Протяжність зони граничного стану вугільного пласта і величина максимальних напруг у ньому залежать від потужності пласта, шири-ни виробки, міцностних і пружних властивостей вугілля, а також кута між початковим положенням площини покрівлі і її положенням після зближення з підошвою виробки. При цьому для малих розмірів виро-бок максимум напруг складає 1,08 · s, а збільшення співвідношення розмірів виробки до ширини зони опорного тиску приводить до росту концентрації напруги до 3,4 · s.

3. Найнебезпечнішими ділянками лави за швидкістю зближення бічних порід, можливістю небезпечних наслідків, що призводять до деформування кріплення, є середні частини лави (від 50-го до 85-го метра від вентиляційного штреку) і сполучення комбайнової частини з уступами (10-20 м до верхнього уступу), де коефіцієнт динамічності складає 80-90.

4. Глибина поширення хвилі розвантаження у вугільному масиві залежить від швидкості зняття напруг. Зі збільшенням швидкості роз-вантаження вугільного масиву, що перебуває в умовах граничного напруженого стану, з 1 МПа/с до 10 МПа/с, значення напруг у ньо-му зменшується в 1,3 рази і відбувається зміна механізму руйнування вугілля та ступеня його тріщинуватості за рахунок перетворення час-тини закритих пор у тріщини.

Наукова новизна отриманих результатів.

? Вперше обґрунтовано і запропоновано аналітичну модель оцінки напружено-деформова-ного стану вугільного масиву у привибій-ній зоні пласта, яка відрізняється від відомих комплексним ура-хуванням взаємозв’язку поведінки бічних порід вугільного плас-та із властивостями вуглепородного масиву.

? Вперше встановлено математичну залежність, що характеризує зміну місцезнаходження максимуму опорного тиску від розміру середнього кута зближення бічних порід, рішення якої визна-чається у вигляді степеневих рядів.

? Встановлено, що діагональні очисні прямолінійні або поліпі-дошвоуступні вибої на всю висоту поверху ефективно відробля-ються без застосування профілактичних заходів через те, що роз-міри безпечної глибини виїмки в напрямку простягання пласту варіюють у межах 1,25 ± 0,5 м. При цьому глибина поширення хвилі розвантаження у вугільному масиві залежить від швид-кості зняття напруг.

Показано, що зі збільшенням швидкості розвантаження вугільно-го масиву, що перебуває в умовах гранично-напруженого стану з 1 МПа до 10 МПа, відбуваються зміни механізму руйнування вугілля.

? Обґрунтовано можливість підвищення стійкості крайової части-ни пласта за рахунок застосування кріплень, які керують гірським тиском одночасно у привибійному і у виробленому просторах очисного вибою (кріплення механізованого комплексу КГУ – лави, що рухаються по простяганню пласта; кріплення щитових агрегатів АНЩ – лави, що рухаються по падінню пласта).

Наукове значення роботи полягає у встановленні нових, експери-ментально підтверджених закономірностей протікання геомеханічних процесів навколо очисної виробки на крутих пластах, і у використан-ні їх для прогнозу стану очисних і підготовчих виробок при розробці крутих пластів на великих глибинах.

Практичне значення роботи полягає у тому, що на базі встановле-них геомеханічних закономірностей поведінки гірничих масивів нав-коло очисного вибою розроблено нову ефективну технологію – гнучку (пошарову) технологію виїмки вугілля без застосування профілактич-них заходів у незахищених локальними або регіональними заходами зонах.

Дослідно-експериментальна перевірка запропонованої технології і її елементів проведена в умовах шахт ім. К.А.Румянцева та ім. В.І.Леніна ДП “Артемвугілля”. Сумарний очікуваний економічний ефект від впро-вадження зазначеної технології по цих шахтах складе 18600 грн./рік.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи. Основні результати досліджень автора використані при розробці нормативних документів, а саме:

? ДСТУ 101.00171144.001-2003 Технологічні схеми розробки ви-кидонебезпечних пластів із застосуванням сейсмоакустичного моніторингу гірського масиву. Галузевий стандарт України. Мін-паливенерго України, Київ, – 2003 р.;

? комплекс програмного забезпечення для реєстрації сейсмоінфор-мації, ТЗ 0310301020 (Мінпаливенерго України, Київ, – 2003 р.).

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульо-вана ідея роботи, поставлені мета та задачі досліджень; отримані та сформульовані основні наукові положення та висновки; дані практич-ні рекомендації з використання запропонованих нових технологій. Як відповідальний виконавець, автор безпосередньо брав участь у пос-тановці лабораторних, теоретичних і шахтних досліджень, у розробці теоретичних і методологічних основ проведення роботи, у впровад-женні результатів роботи. Текст дисертаційної роботи написаний ав-тором особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисер-таційної роботи, наукові положення, практичні методологічні реко-мендації обговорювалися і одержали схвалення на Міжнародних на-уково-технічних конференціях “Машинобудування і техносфера XXI віку” (м. Севастополь, 2003, 2004 рр.); XI Міжнародному симпозіумі “Геотехніка-2004” (Устрон, 2004 р. – Польща); на науково-практичній конференції “Удосконалювання кріплення й ремонту гірничих виро-бок” (м. Павлоград, 2004 р.); на наукових засіданнях кафедри підзем-ної розробки родовищ корисних копалин ДонНТУ; наукових семінарах відділів механіки гірських порід і гірської аерогазодинаміки ІГТМ ім. М.С.Полякова НАН України; НТР ДП з видобутку вугілля “Артем-вугілля”, “Дзержинськвугілля”, “Орджонікідзевугілля”.

Публікації. Результати роботи автора відображені в 23 публіка-ціях, з яких 11 за темою дисертації, у тому числі Галузевий стандарт України.

Структура роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, списку використаних джерел з 106 найменувань, чотирьох додатків; містить 178 сторінок машинописного тексту, у тому числі 42 рисунка, 13 таблиць, 11 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

На підставі вивчення досягнень вітчизняних і зарубіжних дослід-ників у роботі виконано аналіз та узагальнення геомеханічного стану гірського масиву при виїмці крутих газоносних вугільних пластів на великих глибинах.

У результаті оцінки сучасного стану теоретичних досліджень на-пружено-деформованого стану вуглепородних масивів крутих пластів при веденні очисних робіт, а також з урахуванням даних багаторічних лабораторних досліджень, виконаних у ДонНТУ, ДонВУГІ, ДонНДІ, ІГТМ НАН України, НГУ та інших інститутах, встановлено, що доте-пер напружено-деформований стан масиву гірських порід у специфіч-них умовах крутих пластів вивчено недостатньо.

Відомо, що величини напруг у натурних умовах істотно відрізня-ються від розрахункових, а проблеми керування гірським тиском при розробці крутих вугільних пластів є одними із найскладніших.

Тому, для забезпечення інтенсифікації вуглевидобутку на крутих пластах Донбасу необхідний комплексний підхід до досліджень сис-теми “пласт, небезпечний по газодинамічним явищам – очисний вибій – бічні породи –параметри застосовуваної технології”.

Аналіз досвіду технологій вуглевидобутку на крутих пластах Дон-басу, що застосовувалися, дозволив встановити, що на сучасному етапі не досліджена і не створена ефективна технологія їх виїмки на великих глибинах, що не дозволяє вважати досить науково-обґрунтованими прийняті в теперішній час критерії оцінки ефективності технологій, які застосовуються і проектуються. Діючі галузеві нормативні доку-менти повною мірою не відображають вимог щодо вдосконалення та розробки нових видів технології виїмки вугілля на глибоких шахтах ЦРД. У той же час, у зв’язку з новими задачами та “Програмами-стра-тегіями розвитку галузі до 2030 р.”, підвищення ресурсів відомих і но-вих технологій вуглевидобутку на крутих пластах ЦРД, геомеханічне обґрунтування безпечної технології їх виїмки набуває особливу акту-альність.

З метою обґрунтування параметрів безпечної технології виїмки крутих вугільних пластів, виконано теоретичні та експерименталь-ні дослідження із встановлення закономірностей розподілу опорного тиску при веденні очисних робіт на великих глибинах.

Рішенню задач про розподіл опорного тиску на вугільний пласт у прямолінійному вибої присвячено значний обсяг робіт, однак істотні кількісні розбіжності та відсутність яскраво вираженого критерію його оцінки не дозволяють розробити рекомендації, спрямовані на прогнозування та усунення викидонебезпечності вугільних пластів, що відробляються.

Проблема прогнозу параметрів геомеханічних процесів навко-ло крайової частини вугільного пласта стає усе більш актуальною зі збільшенням глибини розробки родовищ, коли нерівномірність роз-поділу гірничого тиску призводить до утворення зони підвищеного опорного тиску, просторові контури та розміри якої визначаються фак-тичними умовами відробки пласта і консольним защемленням його крайової частини.

При усій складності геомеханічних процесів навколо очисного ви-бою, що рухається, використання універсальних умов дозволяє побу-дувати функцію опорного тиску, застосовну практично до всіх схем взаємодії покрівлі з пластом.

Універсальними умовами є умови статичної рівноваги покрівлі, які повинні виконуватися при будь-яких фізико-механічних властивостях породи та вугілля. Аналітично вони виражаються у вигляді:

, (1)
, (2)

де Fi – компонента сили, що діє на одиницю об'єму;

dV – елемент об'єму масиву;

ik – тензор напруг;

Dfk – приріст компоненти вектора елемента поверхні, спря-мованого по нормалі до по-верхні; –

напруга на нескінченності (напруга "незайманого масиву");

a – характерний розмір зависаючого масиву над виробленим простором.

Оскільки функція опорного тиску, як деяка фізична функція, є не-перервною, то для зручності шукаємо рішення інтегральних рівнянь у двох областях, обмеженій та нескінченній, у вигляді степеневих рядів:

, (3)

де A0, A1, A2, …, B1, B2, B3, … постійні розкладу функції, визначувані з інтегральних рівнянь і умови неперерв-ності;

l деяка довільна скінченна величина, у якій "зшиваються" розклади функції напруг;

E параметр, що характеризує неаналітичну поведінку функції.

У результаті чисельного інтегрування отримані варіації функції опорного тиску в прямолінійному очисному вибої та показано, що ве-личина зони опорного тиску залежить як від співвідношення фізико-механічних характеристик покрівлі і вугільного пласта, так і від вели-чини зони розвантаженого масиву. При цьому величина концентрації напруг істотно залежить від співвідношення протяжності виробленого простору і зони опорного тиску (рис. 1).

Рис. 1. Залежність опорного тиску уздовж лінії вибою від спів-відношення розмірів
зони опорного тиску та ширини розванта-женого простору a / l при E = 0,3

Дослідження поведінки функцій опорного тиску для одного і того ж пласта, що відробляється, при різних варіантах способу керування гірським тиском дозволяють обґрунтувати наявність кількох макси-мумів опорного тиску поперед очисного вибою та показати наявність зони “розвантаження”, обумовленої защемленням кромки вугільного пласта, підхід до якої на критичну відстань викликає різного роду га-зодинамічні явища.

Встановлена математична залежність, що характеризує зміну міс-цезнаходження максимуму опорного тиску від величини середнього кута зближення бічних порід (кута нахилу покрівлі):

. (4)

де k3 – коефіцієнт концентрації напруг;

max – максимальні напруги;

m – потужність пласта;

L – протяжність зони граничного стану;

a – кут між початковим положенням покрівлі і її положенням після зближення з підошвою;

Dm – зближення підошви і покрівлі на кромці пласта; –

коефіцієнт Пуассона;

.

Встановлено, що протяжність зони граничного стану вугільного пласта та величина максимальних напруг у ньому залежать від потуж-ності пласта, ширини виробки, міцностних і пружних властивостей порід, які містять вугілля, а також кута між початковим положенням площини покрівлі і її положенням після зближення з підошвою ви-робки. При більш міцних породах, що містять вугілля, величина мак-симальних напруг у вугільному пласті нижча, ніж для менш міцних порід. Неоднорідність поля напруг у вугільному пласті обумовлена наявністю градієнта фізико-механіч-них властивостей порід, що міс-тять вугілля.

Розроблено метод для аналітичної оцінки напружено-деформовано-го стану вугільного масиву в привибійній зоні пласта, який викорис-товується при обґрунтуванні та виборі параметрів безпечної техноло-гії очисних робіт. Запропоноване рішення наочно пояснює явища, що спостерігались на практиці, дозволяє описати ряд встановлених гео-механічних закономірностей і використовувати їх надалі при розробці заходів боротьби з різними газодинамічними явищами.

Досліджені на структурних моделях у лабораторних та безпосеред-ньо у шахтних умовах особливості перерозподілу гірського тиску в дискретному розпірному середовищі, що становить породний контур виїмкової виробки, які дозволили встановити ступінь впливу геоло-гічних і технологічних факторів на характер деформування породних блоків на контурі та навколо гірничої виробки. Їх результати вико-ристані при обґрунтуванні нових технологічних рішень виїмки кру-тих пластів.

Для перевірки правомірності та розвитку теоретичних передумов з геомеханічного обґрунтування нових технологічних рішень виїмки вугільних пластів виконаний комплекс експериментальних дослід-жень.

Електрометричні дослідження властивостей і стану гірських порід та вугільних пластів показали, що величина питомого електричного опору функціонально залежить як від параметрів об’ємного напруже-ного стану, так і від величин напруг, що діють у напрямку вимірювань. Електрометричні вимірювання дозволяють оперативно визначати гли-бину розвитку зон порушенності в гірських породах і характер роз-поділу зон підвищеної тріщинуватості уздовж лави.

Шахтні експерименти з вивчення геомеханічних процесів, що про-тікають у вугленосній товщі, особливо в крайовій частині вугільного пласта, показали, що зона розвантаження по простяганню становить у середньому на всіх експериментальних ділянках 1,5-2,0 м. У пря-молінійних діагональних або щитових вибоях є оптимальна безпечна для кожного конкретного пласта зона розвантаження. Це може бути підставою для вибору технології та технічних засобів виїмки вугілля з найбільш раціональною шириною захвату, при цьому використання противикидних або попередніх профілактичних заходів не передба-чається.

Досліджено прояви гірського тиску в комплексно-механізованих очисних вибоях і показано, що, встановлюючи безпосередньо у вибою лави жорстке кріплення з високою несучою здатністю, можна в знач-ній мірі зменшити швидкість зближення порід і її вплив на крайову частину вугільного масиву. Таким чином, механізоване кріплення є одним із засобів керування геогазодинамічним станом масиву навколо очисного вибою.

Досліджено вплив швидкості розвантаження вугільного масиву на зміну тріщинувато-пористої структури і газопроникності вугілля. На рис. 2 наведені результати досліджень впливу швидкості розвантажен-ня на газопроникність вугілля.

При швидкості розвантаження масиву 1 МПа/с виникає різка ані-зотропія коефіцієнтів кон-центрації напруг k з утворенням площин руйнування, орієнтованих під кутом 40-50° до напрямку дії напруг s1 і s3. При цьому значення коефіцієнтів газопроникності K1 і K3 за-лишаються на рівні ненавантаженого зразка. Значення ж коефіцієнта K2 у цьому випадку перевищує їхній рівень у 10 разів. При швидкості розвантаження масиву 10 МПа/с значення коефіцієнтів концентрації напруг K1 і K2 уздовж дії напруг s1 і s2 становлять (12-14) 104 Д, а відповідні значення коефіцієнтів газопроникності в цих же напрямках (K1 і K2) на порядок перевищують їхню величину в ненавантаженому вугільному зразку.

Рис. 2. Зміна газопроникності вугільних зразків
при розванта-женні мінімальної стискаючої напруги s3 = 0:

1 – K1 = f(s1); 2 – K2 = f(s2); 3 – K3 = f(s3) при швидкості розвантаження 1 МПа/с;
1ґ – K1 = f(s1); 2ґ – K2 = f(s2); 3ґ – K3 = f(s3) при швидкості розвантаження 10 МПа/с

Це свідчить про утворення площин руйнування паралельно грані, що розвантажується. Утворення систем вторинних тріщин, що різко змінюють проникність вугілля, при хаотичному їхньому розташуван-ні пов’язане, у першу чергу, з розкриттям частини закритих пор.

У табл. 1 представлено результати досліджень впливу швидкості розвантаження на глибину порожнини, що утворилася. Аналіз резуль-татів показує, що ступінь виходу вугільного штиба, що утворюється, збільшується в середньому в 3 рази. Показано, що глибина поширен-ня хвилі розвантаження залежить від швидкості зняття напруг і що зі збільшенням швидкості розвантаження вугільного масиву, який пере-буває в умовах граничного напруженого стану, змінюються механізм руйнування вугілля та ступінь його тріщинуватості за рахунок пере-творення частини закритих пор у тріщини.

Таблиця 1

Результати досліджень впливу швидкості розвантаження
на глибину порожнини, що утворилася

v, м/с | 0,5 | 2 | 4 | 5

l, мм | 2,0-3,0 | 3,0-3,5 | 4,1-5,2 | 7,0-7,9

rпр, мм | 5,0-5,5 | 4,0-4,5 | 3,5-3,8 | 2,5-3,5

Науково обґрунтовано і розроблено методику комплексної оцінки ефективності технології та засобів механізованої виїмки тонких кру-тих пластів. Вона дозволяє встановити комплексний показник тех-нічного рівня застосовуваних техніки та технології, що забезпечують ефективний вуглевидобуток у ЦРД.

На підставі виконаних досліджень розроблено нові технологічні рі-шення з підвищення безпеки та ефективності виїмки крутих вугіль-них пластів.

Для обґрунтування параметрів нової технології виїмки вугільних пластів проведені комплексна оцінка і аналіз фізичних процесів у крайовій частині пласта з точки зору вимог безпеки і ефективності ве-дення гірничих робіт.

Встановлено, що зі збільшенням швидкості посування очисного ви-бою помітно збільшуються напруги в опорній зоні і відбувається знач-не переміщення максимуму концентрації напруг до крайової частини вугільного пласта, причому параметри опорної зони залежать від дов-жини лави, швидкості її посування, а також наявності або відсутності розвантаження (підробки та надробки).

Вплив фактору часу на зміну напружено-деформованого стану крайової частини в максимальному ступені проявляється в перші 2-3 години, протягом яких відбувається до 90% всіх деформацій, тому із достатньою для практики точністю період істотної релаксації напруг можна обмежити трьома годинами.

Виконано вдосконалення гнучкої технології із застосуванням від-бійних молотків. Для створення зони знеміцненого вугілля можливий підбій у зоні віджатого вугілля в крайовій частині пласта, причому, якщо пачки вугілля однорідні, перевагу варто віддавати нижньому врубу. Для збільшення віджимання та тріщинуватості крайової час-тини пласта необхідно збільшувати тиск на вибій, що можливо здій-снити шляхом зміни окремих технологічних параметрів виїмки, а та-кож використанням спеціальних видів вибійного кріплення (органної, тумб, пневмокострів).

Розроблено основи гнучкої технології відробки вугільних викидо-небезпечних пластів у щитових вибоях, яка базується на принципах примусової циклічної (з тимчасовим простоєм вибою, що фіксується) виїмки вузьких смуг 0,21 м у проектній ширині захвату конвейєростру-га, рівній 0,63 м. Нова технологія реалізується автоматично за рахунок вбудованих у систему гідроприводу гідромеханічних клапанів, що об-межують хід гідродомкратів подачі конвейєроструга у вибої. Запро-поновану технологію впроваджено на 2-х шахтах ДП “Артемвугілля”, сумарний економічний ефект, що очікується, складе 18600 грн.

Коротку характеристику запропонованих технологічних рішень на-ведено в табл. 2.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджені коректним використанням основних положень гірничої геомеханіки; достатнім обсягом натурних спосте-режень; лабораторними, шахтними та теоретичними дослідженнями з використанням апробованих методик; збіжністю результатів різних видів досліджень; позитивними результатами випробувань запропо-нованих технологічних рішень.

Таблиця 2

Технологічні рішення, обґрунтовані й запропоновані автором

№
п/п | Назва технології
або пристрою
по її реалізації | Порівняння з відомими технологіями
та засобами виробництва

достоїнства | недоліки

1. | Гнучка технологія виїмки вугілля ВМ у стелеуступах з використанням “підбивки” вугільного пласта | Забезпечує надійність і ефективність очисних робіт за рахунок раціоналізації параметрів очисного вибою (збільшується довжина ус-тупів, менше кутків у лаві) і збільшення продуктивності праці вибійників | Перебуває в стадії промислового експерименту

2. | Гнучка технологія виїмки вугільних пластів ВМ вузькими смугами по падінню пласта в прямолінійних (діагональних) або поліпідошвоуступних очисних вибоях | Забезпечує надійність і ефективність очисних робіт без застосування противикидних заходів при збереженні високого рівня безпеки гірничих робіт на небезпечних пластах | Жорсткі вимоги до кріплення привибійного та виробленого простору з обов’язковою системою за-побіжних полків по всій довжині лави

3. | Дозована примусова циклічна виїмка вугілля у щитових вибоях за регламентованою технологією | Забезпечує виїмку в межах ширини захвату, порівнянної із зоною безпечної глибини виїмки. Внутрішньозмінні відстої вибою дозволяють забезпечити 3-х змінну виїмку вугілля в лаві і збільшення навантаження на неї в 1,5 рази | Потрібне виконання противикидних заходів у кут-ках вибою

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій дане рішення актуальної науково-технічної задачі, що має важливе на-родногосподарське значення і полягає в розробці комплексного гео-механічного обґрунтування параметрів нових технологічних рішень щодо підвищення безпеки та ефективності виїмки крутих вугільних пластів, небезпечних за газодинамічними явищами, без попереднього здійснення профілактичних заходів.

Основні результати роботи зводяться до наступного:

1. Вперше отримані варіації функції опорного тиску в прямоліній-ному очисному вибої і показано, що розміри зони опорного тиску за-лежать як від співвідношення фізико-механічних характеристик пок-рівлі та вугільного пласта, так і від величини зони розвантаженого масиву. При цьому величина концентрації напруг істотно залежить від співвідношення протяжності виробленого простору і зони опорного тиску.

2. Встановлено, що протяжність зони граничного стану вугільного пласта і величина максимальних напруг у ньому залежать від потуж-ності пласта, ширини виробки, міцностних і пружних властивостей порід, які містять вугілля, а також кута між початковим положенням площини покрівлі і її положенням після зближення з підошвою ви-робки. При більш міцних породах, що містять вугілля, величина мак-симальних напруг у вугільному пласті нижча, ніж для менш міцних порід. Неоднорідність поля напруг у вугільному пласті обумовлена наявністю градієнта фізико-механіч-них властивостей порід, що міс-тять вугілля.

3. Встановлено, що найнебезпечнішими ділянками лави за швид-кістю зближення бічних порід та можливістю небезпечних наслідків ведення очисних робіт є середні частини лави і, особливо, сполучен-ня її комбайнової частини з верхнім уступом, у яких коефіцієнт дина-мічності складає 80-90. Доведено, що, встановлюючи безпосередньо у вибої лави жорстке кріплення з високою несучою здатністю, можна в значній мірі зменшити швидкість зближення порід і її вплив на крайо-ву частину вугільного масиву.

4. Розроблено і впроваджено методику комплексної оцінки ефек-тивності технології та засобів механізованої виїмки тонких крутих пластів Донбасу, що враховує економічність технологічних процесів.

5. Встановлено, що зі збільшенням швидкості посування очисного вибою помітно зростають напруги в опорній зоні і відбувається значне переміщення максимуму навантажень до крайової частини вугільного пласта. Причому параметри опорної зони залежать від довжини лави, швидкості її посування, а також наявності або відсутності розванта-ження (підробки та надробки).

6. Розроблено основи гнучкої технології відробки вугільних вики-донебезпечних пластів у щитових вибоях, яка базується на принципах примусової циклічної (з тимчасовим простоєм вибою, що фіксується) виїмки вузьких смуг 0,21 м у проектній ширині захвату конвейєростру-га, рівній 0,63 м. Нова технологія реалізується автоматично за рахунок вбудованих у систему гідроприводу гідромеханічних клапанів, що об-межують хід гідродомкратів подачі конвейєроструга у вибої.

7. Розроблено Галузевий стандарт України “Технологічні схеми розробки викидонебезпечних пластів із застосуванням сейсмоакус-тичного моніторингу гірського масиву”, який введено в дію за вста-новленим порядком.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ
ОПУБЛІКОВАНО В НАСТУПНИХ РОБОТАХ

1. Чибисова М.Т., Гребенкина А.С. Некоторые методы решения ва-риационных задач линейной теории упругости //Научно-прикладные проблемы разработки крутых и крутонаклонных угольных пластов Донбасса. – Донецк: Регион, 1999. – С. 277-280.

2. Гребенкина А.С, Рожок И.Н., Шипунова И.В. Основы механики горных пород //Проведение и эксплуатация горизонтальных горных выработок на шахтах с крутым и наклонным залеганием угольных пластов. – Донецк: Регион, 2001. – С. 9-84.

3. Аналитическая оценка напряженного состояния угольного масси-ва в призабойной зоне угольного пласта /С.С.Гребенкин, В.И.Пилюгин, А.С.Гребенкина, С.Г.Жулидов //Изв. Донецкого горного ин-та. – 2002. – №2. – С. 74-77.

4. Особенности механизма перераспределения нагрузки в дискрет-ной распорной среде /Г.И.Соловьев, С.Г.Негрей, В.Е.Нефедов, А.С.Гре-бенкина //Изв. Донецкого горного ин-та. – 2003. – №2. – С. 47-55.

5. Геомеханические основы безопасной отработки угольных место-рождений /С.Е.Топчий, Н.Н.Шлюпкин, А.С.Гребенкина, А.В.Костенко //Эколого-технологические проблемы безопасной отработки угольных месторождений. – Донецк: ДонНТУ, 2004. – С. 90-125.

6. Стариков Г.П., Гребенкина А.С. Влияние скорости разгрузки угольного массива на изменения в трещиноватопористой структуре угля //Изв. Донецкого горного ин-та. – 2004. – №1. – С. 18-21.

7. Кучер В.И., Гребенкина А.С. Комплексная оценка технологии и средств механизированной выемки тонких крутых пластов Донбасса //Науковий вісник НГУ. – 2004. – № 10. – С. 33-38.

8. Паламарчук Т.А., Керкез С.Д., Гребенкина А.С. Проявление гор-ного давления в очистных забоях, оборудованных механизированны-ми крепями, при разработке крутых пластов //Геотехническая механи-ка. – Днепропетровск: ИГТМ НАНУ. – 2004. – №49. – С. 93-98.

9. Аналитические исследования зависимостей силовых параметров рабочих органов комбайнов от механических характеристик разру-шаемого массива угля /С.С.Гребенкин, В.В.Шумриков, В.И.Каменец, А.С.Гребенкина //Науковий вісник НГУ. – 2005. – №2. – С. 6-11.

10. Пивень Ю.А., Гребенкина А.С. Исследование изменения геоме-ханического состояния углепородного массива при ведении очистных работ на больших глубинах //Науковий вісник НГУ. – 2005. – №12. – С. 35-37.

11. Пивень Ю.А., Гребенкина А.С. Совершенствование системы уп-равления щитовыми агрегатами при гибкой технологии выемки угля на крутых пластах //Гірнича електромеханіка та автоматика. – 2005. – Вип. 75. – С. 176-179.

Особистий внесок автора в опубліковані роботи: [1] – запропоно-вано метод розв’язання задач лінійної теорії пружності з використан-ням функцій комплексного змінного; [2, 5] – участь у аналітичній підготовці даних, виконано чисельні розрахунки, зроблено висновки; [3] – складена розрахункова схема, виконано аналітичне розв’язання задачі, зроблено висновки; [4] – участь у проведенні експериментів, аналізовано результати, зроблено висновки; [6] – участь у підготовці та проведенні експерименту, апроксимація експериментальних даних, зроблено висновки; [7] – запропоновано методику комплексної оцін-ки технологій відробки крутих пластів з урахуванням геомеханіки гірського масиву; [8] – взято участь у проведенні шахтного експери-менту, аналізовано результати, зроблено висновки; [9] – встановле-но аналітичні залежності змін геомеханічних характеристик масиву вугілля при різних технологіях його руйнування; [10] - математична обробка результатів шахтних спостережень; [11] - запропонована конс-труктивно-технологічна схема циклічної виїмки вугілля в щитових вибоях, обґрунтовані параметри комплексної оцінки запропонованої технології, участь у впровадженні її на двох шахтах.

АНОТАЦІЯ

Гребьонкіна О.С. Геомеханічне обґрунтування технологічних рі-шень підвищення ефективності виїмки крутих вугільних пластів, схильних до газодинамічних явищ. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.11 – “Фізичні процеси гірничого виробниц-тва”. – Інститут геотехнічної механіки ім. М.С.Полякова Національної академії наук України. м. Дніпропетровськ, 2006.

Дисертація присвячена рішенню важливої науково-технічної зада-чі, що полягає в розробці комплексного геомеханічного обґрунтуван-ня параметрів нових технологічних рішень з підвищення безпеки та ефективності виїмки крутих вугільних пластів, небезпечних по газо-динамічним явищам, без попереднього проведення профілактичних заходів, що має важливе народногосподарське значення.

У дисертації виконані дослідження щодо встановлення закономір-ностей розподілу опорного тиску в очисному вибої при відробці кру-тих пластів і протікання в ньому геомеханічних процесів при розробці крутих пластів на сучасних глибинах.

Сукупність теоретичних розробок і комплексу лабораторних та шахтних експериментів по дослідженню геомеханічного стану вуг-ле-породного масиву при виїмці крутих газоносних вугільних плас-тів на великих глибинах дозволила розробити “Технічне завдання на комплекс програмного забезпечення для реєстрації сейсмоінформації” і галузевий стандарт України “Технологічні схеми розробки викидоне-безпечних пластів із застосуванням сейсмоакустичного моніторингу гірничого масиву”.

Ключові слова: геомеханічний стан, круті вугільні пласти, техноло-гічні режими.

АННОТАЦИЯ

Гребенкина А.С. Геомеханическое обоснование технологических решений повышения эффективности выемки крутых угольных плас-тов, склонных к газодинамическим явлениям. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 – “Физические процессы горного про-изводства”. – Институт геотехнической механики им. Н.С.Полякова Национальной академии наук Украины, г. Днепропетровск, 2006.

Диссертация посвящена решению важной научно-технической за-дачи, заключающейся в разработке комплексного геомеханического обоснования параметров новых технологических решений по повыше-нию безопасности и эффективности выемки крутых угольных плас-тов, опасных по газодинамическим явлениям, без предварительного проведения профилактических мероприятий, имеющей важное народ-нохозяйственное значение.

В диссертации выполнены исследования по установлению законо-мерностей распределения опорного давления в очистном забое при от-работке крутых пластов и протекания в них геомеханических процес-сов на современных глубинах. Получены вариации функции опорного давления в прямолинейном очистном забое и показано, что размеры зоны опорного давления зависят как от соотношения физико-механи-ческих характеристик кровли и угольного пласта, так и от величины зоны разгруженного массива. При этом величина концентрации на-пряжений существенно зависит от соотношения протяженности выра-ботанного пространства и зоны опорного давления.

Установлено, что протяженность зоны предельного состояния угольного пласта и величина максимальных напряжений в ней зави-сят от мощности пласта, ширины выработки, прочностных и упругих свойств вмещающих пород, а также угла между начальным положе-нием плоскости кровли и ее положением после сближения с почвой выработки. При более прочных вмещающих породах величина макси-мальных напряжений в угольном пласте ниже, чем при менее прочных породах, а значит, неоднородность поля напряжений в угольном плас-те обусловлена наличием градиента физико-механических свойств уг-левмещающих пород.

Совокупность теоретических разработок и комплекса лаборатор-ных и шахтных экспериментов по исследованию геомеханического состояния углепородного массива при выемке крутых газоносных угольных пластов на больших глубинах позволила разработать “Тех-ническое задание на комплекс программного обеспечения для регист-рации сейсмоинформации” и отраслевой стандарт Украины “Техноло-гические схемы разработки выбросоопасных пластов с применением сейсмоакустического мониторинга горного массива”.

Ключевые слова: геомеханическое состояние, крутые угольные пласты, технологические режимы.

ANNOTATION

Grebyonkina A.S. Geomechanical substantiation of technological deciof efficiency increase of mining the abrupt coal layers inclined to gas-dynamical phenomena. – The Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Cand. Tech. Sci. on a speciality 05.15.11 – “Physical processes in mining industry”. – Insti-tute of geotechnical mechanics him. N.S.Poljakova of the National Academy of Sciences of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2006.

The dissertation is devoted to the decision of the important scientific and technical task containing development of a complex geomechanical substan-tiation of parameters of new techno-logical decisions on increase of safety and efficiency of mining of abrupt coal layers, which are dangerous on gasphenomena, without carrying out the preventive actions. This dissertation has a very important economic significance.

In the dissertation some researches on determining the laws of distribuof basic pressure in clearing working face while working off the abrupt layers and changes of geomechanical processes in the clearing working face which are used to define and forecast of change of the current informative parameters of clearing and preparatory developments condition by develop-ing the abrupt layers on modern depths.

It was determined that the length of the zone of maximum state of a coal layer and the value of maximum tension in this zone depends on the coal layer magnitude, width of a mining excavation, resilient and firm charac-teristics of the soils that contain coal. Moreover, it depends on value of the angle between initial position of roofing and its position after approaching the soil of the mining excavation. If there are firmer coal-bearing soils the value of maximum tension in a coal layer is lower than if there are less firm soils. Consequently, inhomogeneous tension fields in a coal layer is stipulatfor availability of the gradient of physical and mechanical characteristics of coal-bearing soils.

The set of theoretical developments and complex of laboratory and mine experiments on research of geomechanical condition of carbonic-rocky massif while extracting abrupt gas-bearing coal layers on the big depths has allowed to develop “The Technical project to the complex of the software for registration of seismic information” and the branch standard of Ukraine “Technological circuits of development of outburst-prone layers with appli-cation of seismic and acoustic monitoring of a rock massif”.

Key words: a geomechanical condition, abrupt coal layers, technological modes.