МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
МІНІСТЕРСТВО освіти І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРничий УНІВЕРСИТЕТ
СКЛЕПОВИЧ КОСТЯНТИН ЗЕНОНОВИЧ
УДК 622.26:622.831.2
ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ технології
зміцнення порід на кінцевих ділянках лав
Спеціальність 05.15.02 – “Підземна розробка родовищ корисних копалин”
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Дніпропетровськ – 2006
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі розробки родовищ корисних копалин Донбаського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України (м. Алчевськ).
Науковий керівник:
доктор технічних наук, професор, професор кафедри розробки родовищ корисних копалин Донбаського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України
(м. Алчевськ) | Клішин
Микола
Кузьмич
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор, професор кафедри підземної розробки родовищ Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ) | КУЗЬМЕНКО
Олександр
Михайлович
кандидат технічних наук, старший науковий співробітник відділу механіки гірничих порід Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Поля- кова НАН України (м. Дніпропетровськ) | МУСІЄНКО
Сергій
Петрович
Провідна установа: | Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра розробки родовищ корисних копалин
Захист відбудеться ” 6 ” жовтня 2006 р. о 1430 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03 з захисту дисертацій при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, пр-т. К. Маркса, 19).
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, пр-т. К. Маркса, 19).
Автореферат розісланий ” 6 ” вересня 2006 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,
к.т.н., доцент В.І. Тимощук
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. У теперішній час через погіршення гірничо-геологічних умов та економічного становища шахт і, як наслідок, збільшення собівартості видобутку вугілля, найактуальнішим питанням виживання вугільних шахт є підвищення обсягів і зниження вартості видобутку вугілля. Для цього необхідне створення умов для ефективної роботи сучасних високопродуктивних механізованих комплексів.
Основна причина зниження швидкості посування й аварійних зупинок очисних вибоїв, травматизму – вивали породи з покрівлі, що відбуваються в місцях геологічних порушень, на ділянках нестійкої або помилкової покрівлі.
У 2001 році 442 лави Донбасу перетнули 334 розривних порушення загальною довжиною 25 тис.м та 182 ділянки нестійкої покрівлі. На площі 400 тис.м2 покрівля обрушилася в привибійному просторі лав. За таких умовах швидкість посування лав на 40% менша, а собівартість видобутку вугілля в 1,5 раза більша.
Найбільш ефективним заходом щодо запобігання вивалів є зміцнення порід нагнітанням скріплювальних речовин, що застосовується тільки в 6-7% лав Донбасу від необхідного обсягу. Основна причина низького рівня застосування зміцнення – висока вартість, яка зумовлена не тільки високою вартістю поліуретанових речовин (більше 12000 грн/т), але й великою їхньою витратою (5 л/м3).
Зниження витрат можливе через використання недорогих (до 3000 грн/т), але ефективних скріплювальних речовин, а зменшення витрати речовин – визначенням параметрів зміцнення з урахуванням властивостей масиву порід. Для цієї мети необхідне вивчення пустотності, фільтраційних і механічних властивостей масиву порід попереду лави, які змінюються в часі й у просторі в зоні впливу очисних робіт, а також властивостей скріплювальних речовин.
У зв'язку з великим обсягом робіт щодо зміцнення й необхідністю зниження витрат на зміцнення обґрунтування параметрів технології зміцнення порід на кінцевих ділянках лав є важливим актуальним завданням, вирішення якого дозволить знизити витрати на зміцнення, підвищити безпеку робіт і зменшити собівартість видобутку вугілля.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Дисертаційна робота виконана на кафедрі розробки родовищ корисних копалин Донбаського державного технічного університету відповідно до планів держбюджетних робіт Міністерства освіти і науки України на період 2001-2004 рр. за темами: № 102-ГБ "Розробка геомеханічних основ зміцнення порід навколо прилеглих до лав виробок ", № держреєстрації 01014000540; № 113-ГБ "Розробка наукових основ зміцнення покрівлі очисних вибоїв", № держреєстрації 01024002971.
Метою дисертаційної роботи є обґрунтування параметрів технології зміцнення порід скріплювальними речовинами на кінцевих ділянках лав для зменшення витрат й підвищення безпеки робіт у лавах.
Для досягнення мети роботи були поставлені наступні задачі:
1. Дослідити пустотність і фільтраційні властивості масиву порід покрівлі на кінцевих ділянках лав, їхню зміну в просторі й у часі.
2. Провести шахтні виміри деформування порід покрівлі на кінцевих ділянках лав і встановити зони втрати стійкості.
3. Обґрунтувати технологічні параметри скріплювальних речовин тривалого терміну ствердіння на основі карбамідної смоли, що взаємодіє з покрівлею попереду очисного вибою.
4. Розробити методику визначення параметрів технології зміцнення порід покрівлі на кінцевих ділянках лав нагнітанням скріплювальних речовин.
5. Провести шахтний експеримент зміцнення порід скріплювальними карбамідними речовинами тривалого терміну ствердіння.
Ідея роботи полягає у використанні закономірностей зміни властивостей масиву порід покрівлі, що деформується в просторі й у часі попереду очисного вибою, і скріплювальних речовин.
Об'єкт дослідження – процес зміцнення порід скріплювальними речовинами на кінцевих ділянках лав з урахуванням пустотності, фільтраційних і деформаційних властивостей масиву порід.
Предмет дослідження – пустотність, фільтраційні й деформаційні властивості тріщинуватого масиву порід попереду очисної виробки.
Методи досліджень. Під час виконання роботи застосований комплексний метод дослідження, що містить аналіз й узагальнення літературних та патентних джерел, шахтні інструментальні виміри, математичне моделювання з використанням методу кінцевих елементів, лабораторні дослідження та шахтну апробацію отриманих результатів.
Наукові положення, що захищаються в дисертації:
1. Коефіцієнт проникності тріщинуватої покрівлі на відстані 5-30 м попереду лави зменшується за гіперболічними залежностями при збільшенні відстані від вибою лави й у глиб масиву від устя шпуру, що дозволяє на геомеханічній підставі визначити основні параметри технології зміцнення порід нагнітанням скріплювальних речовин: глибина шпуру дорівнює довжині ділянки від устя шпуру до точки, де коефіцієнт проникності не перевищує 10% від максимального значення, а глибина герметизації – довжині ділянки шпуру, на якій проникність дорівнює половині сумарного значення коефіцієнта проникності через увесь шпур.
2. Пустотність тріщинуватої покрівлі лінійно зменшується зі збільшенням інтенсивності тріщинуватості й корелює за логарифмічною залежністю з інтенсивністю сейсмоакустичного сигналу, який проходить через масив порід, що дозволяє з урахуванням контуру фільтраційного потоку визначати витрату скріплювальної речовини, яку нагнітають через шпур.
3. Деформації покрівлі на кінцевих ділянках лав у площині напластування в напрямках: перпендикулярно до вибою лави – розтягувальні (до 0,65·10-3), лінійно залежать від потужності пласта; паралельно до вибою – стискувальні (до 0,25·10-3), лінійно залежать від глибини розробки; установлені в діапазоні умов відпрацювання пластів Донбасу m =1,0–1,76 м, уст =30–70 МПа, H =395–680 м.
Що забезпечує зміцнення порід скріплювальними речовинами із граничними деформаціями, за період від часу нагнітання до відслонення покрівлі після виїмки вугілля, більшими, ніж деформації зміцнюваних порід.
Наукова новизна отриманих результатів. Установлені кореляційні залежності пустотності покрівлі від кількості тріщин й інтенсивності сейсмоакустичних хвиль, що проходять через масив порід, від пустотності покрівлі.
Установлено залежність коефіцієнта проникності тріщинуватої покрівлі (у діапазоні 5-30 м попереду очисного вибою) від глибини шпуру, міцності порід і відстані від шпуру до очисного вибою.
Установлені залежності деформації покрівлі в площині напластування на кінцевих ділянках лав: перпендикулярно до вибою – від потужності пласта; паралельно до вибою – від глибини розробки.
Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків забезпечується використанням загальновідомих методів досліджень, адекватністю розробленої математичної моделі масиву порід натурі, а також відповідністю результатів моделювання й натурних досліджень, розбіжність між якими становить 16,6%.
Наукове значення дисертації полягає в подальшому розвитку знань про механізм руйнування масиву попереду очисного вибою і закономірностей зміни пустотності, фільтраційних й деформаційних властивостей масиву у часі і просторі.
Практичне значення роботи полягає в наступному:–
розроблена методика визначення параметрів зміцнення порід на кінцевих ділянках лав нагнітанням скріплювальних речовин;–
запропонована формула для визначення витрати скріплювальної речовини на шпур, згідно з якою витрата речовини у три рази менша за встановлену в нормативних документах;–
розроблені карбамідні скріплювальні речовини тривалого терміну ствердіння (1-5 діб) для проведення попереднього зміцнення порід, що дозволить рознести в часі й просторі очисні роботи на кінцевих ділянках лав і роботи щодо зміцнення порід покрівлі пласта та вилучити їхній взаємний вплив.
Особистий внесок здобувача полягає у формуванні мети й задач досліджень, проведенні шахтних вимірів деформації і проникності порід покрівлі, розробленні скріплювальних речовин на основі карбамідної смоли й дослідженні їхніх властивостей, розробленні математичної моделі масиву порід, обґрунтуванні параметрів технології зміцнення.
Апробація результатів досліджень. Основні положення й результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на міжнародній конференції "Екологія і безпека життєдіяльності - 2002" (Затока, 2002 р.), конференції "Неделя горняка – 2004" (Москва, МГГУ, 2004 р.), ІІ науково-практичній конференції "Донбас-2020: Наука і техніка - виробництву" (Донецьк, 2004 р.), VІІ науково-практичній конференції "Наука й освіта 2004" (Дніпропетровськ, 2004 р.).
Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 10 друкованих праць, у тому числі одне авторське свідоцтво, сім статей у фахових виданнях, затверджених ВАК України, і дві публікації в матеріалах конференцій.
Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків з розділів, загального висновку, переліку використаних джерел зі 115 найменувань на 13 сторінках; містить 146 сторінок машинописного тексту, у тому числі 56 рисунків, 43 таблиці й 7 додатків на 37 сторінках; загальний обсяг роботи - 196 сторінок.
Автор дякує співробітникам кафедри Касьяну С.І., Кізіярову О.Л., які брали участь у проведенні шахтних інструментальних вимірів.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета та задачі досліджень, наведені наукові положення, що виносяться на захист, наукове та практичне значення роботи, а також дані щодо апробації й публікації досліджень.
У першому розділі “Аналіз стану технології зміцнення порід і вивченості властивостей зміцнюваних масивів порід” виконаний аналіз чинних способів і засобів зміцнення порід нагнітанням скріплювальних речовин, вивченості пустотності й фільтраційних властивостей тріщинуватого масиву порід, досліджень напружено-деформованого стану (НДС) масиву гірських порід на кінцевих ділянках лав.
Великий внесок у розроблення й розвиток технології зміцнення гірських порід зробили вчені: Ш.О. Алтаєв, В.І. Бондаренко, В.В. Васильєв, С.Ф. Власов, В.В. Давидов, Ю.М. Долоткін, О.О. Єфіменко, М.К. Клішин, Є.В. Кузьмін, О.М. Мусін, В.А. Ржаніцин, В.К. Сальников, М.М. Томашев та ін.
До параметрів технології хімічного зміцнення нагнітанням речовин відносять: довжину шпуру, відстань між шпурами, глибину герметизації шпурів, витрату скріплювальної речовини на шпур, кут нахилу шпуру до горизонтальної площини й до напластування, тиск нагнітання.
На підставі критичного аналізу робіт, присвячених вивченню властивостей зміцнюваних масивів порід та розробленню й використанню хімічного зміцнення порід покрівлі вугільних пластів, були зроблені наступні висновки:–
основними причинами зниження швидкості посування й аварійних зупинок очисних вибоїв, травматизму є вивали породи з покрівлі, що відбуваються в місцях геологічних порушень, на ділянках нестійкої або несправжньої покрівлі; –
за останні десять років різко скоротилися обсяги зміцнювання порід, причиною яких є подорожчання скріплювальних речовин;–
параметри технології зміцнення встановлені з огляду на організаційні вимоги з великим коефіцієнтом запасу без урахування закономірностей зміни властивостей скріплювальних речовин і масиву порід, що деформується у часі й просторі, на який впливають очисні роботи; –
недостатньо вивчені властивості тріщинуватого масиву порід на сполученнях лав з підготовчими виробками;–
чинні методи розрахунку параметрів нагнітання на кінцевих ділянках лав не враховують анізотропію проникності, зміну її за глибиною масиву на різній відстані від вибою лави, неоднорідність проникності масиву уздовж і поперек напрямку виробок;–
скріплювальні речовини тривалого терміну ствердіння не розроблялися й параметри їх не досліджувалися;–
деформація покрівлі у площині напластування в привибійному просторі лав, що істотно впливає на утворення вивалів, не вивчалася.
Таким чином, необхідно на геомеханічній підставі обґрунтувати параметри технології зміцнення порід, що дозволить зменшити витрати на зміцнення й підвищити безпеку робіт.
У другому розділі “Дослідження властивостей зміцнюваних масивів порід” наведені результати збирання й аналізу даних умов відпрацювання пластів Донбасу, дослідження властивостей тріщинуватого масиву порід попереду очисних вибоїв.
Для визначення обсягів і сфери застосування хімічного зміцнення порід, за маркшейдерською та геологічною документаціях, були вивчені гірничо-геологічні й гірничотехнічні умови відпрацювання пластів Донбасу за 2001 рік. Усього було вивчено 442 лави, з яких 215 відпрацьовано у складних умовах, у 162 лавах – нестійка покрівля, у 53 – геологічні порушення, у 18 – порушення й нестійка покрівля. За рік лави Донбасу перетнули 334 розривні геологічні порушення й 182 ділянки нестійкої покрівлі. За потужності нестійкої покрівлі 0,6–1,2 м і більше (47,1%) необхідне застосування її зміцнення нагнітанням скріплювальних речовин. Довжина порушеної ділянки покрівлі, за виходу геологічних порушень на сполучення лав з виробками, становить 10–16 м, але основний обсяг можливого вивалоутворення – це сполучення, покрівля яких представлена слабкими породами (алевролітами, аргілітами) і зруйнована ще до підходу лави гірським тиском, що діє в околі виробки тривалий термін.
Обсяг застосування хімічного зміцнення порід нагнітанням речовин становив: порушеної покрівлі – 12224 м3, нестійкої покрівлі – 2500 м3.
Одна з основних характеристик масиву порід, яка впливає на параметри його зміцнення, це тріщинуватість. Параметри тріщинуватості порід покрівлі вивчалися за даними вимірів, отриманих здобувачем від проф. Клішина М.К., і доповнені нашими вимірами. Дослідження виконані на 143 сполученнях 72 лав Донбасу, в наступних умовах відпрацювання: потужність пластів 0,5-2,2 м, глибина розробки 235-710 м; покрівлі представлені аргілітами, піщаниками і вапняками. За методикою визначалися параметри тріщинуватості покрівлі: ширина тріщин, їхня форма, довжина, просторове розташування, відстань між тріщинами. За критерій тріщинуватості взято кількість тріщин на 1 м довжини покрівлі (інтенсивність тріщинуватості) уздовж очисного вибою (n1) і перпендикулярно до вибою (n2). Ефименко О.О. отримані рівняння, що описують інтенсивність тріщинуватості, але у зв'язку з тим, що в діапазоні малих величин міцності порід відбувається швидка зміна інтенсивності тріщинуватості й можливі помилки, були досліджені інші (нелінійні) види залежностей.
Установлено, що найбільш впливовим чинником на тріщинуватість є межа міцності порід на розтягання з логарифмічним виглядом залежності:
, шт/м, (1)
R = 0,52; б = 2,34·10-3<< 0,05,
де ур – межа міцності порід на розтягання, МПа;
R – множинне кореляційне відношення;
– надійність критерію Фішера.
, шт/м, (2)
R = 0,38; б = 8,71·10-7<< 0,05.
Під час визначення місця нагнітання, тиску й витрати скріплювальної речовини необхідне знання фільтраційних властивостей гірських порід, до яких належать проникність і фільтраційна анізотропія.
Відповідно до поставлених задач була досліджена проникність порід на відстанях шпуру від вибою лави (lл) та вимірюваної 0,2 м ділянки шпуру від стінки виробки (lс). Вимірювали проникність методом повітряного визначення тріщинуватості (ПВТ), основаного на вимірі часу падіння тиску від 4 до 1 МПа, при витіканні дозованого об’єму стиснутого повітря через тріщини, що перетинають загерметизовану 0,2 м ділянку шпуру. Зміну коефіцієнта проникності (Кпр) покрівлі попереду лав було досліджено за даними вимірів 530 ділянок 64 шпурів.
За результатами досліджень були отримані рівняння множинної регресії (3) залежності коефіцієнта проникності від відстані до лави (5-30 м) і від устя шпуру в глиб масиву за різної міцності порід:
, м2•10-6, (3)
R = 0,76, F = 129,72, = 2,02•10-53 << 0,05,
де – довжина шпуру, м;
– відстань від шпуру до очисного вибою, м;
– межа міцності порід на розтягання, МПа;
R – множинне кореляційне відношення;
F – критерій Фішера;
– надійність критерію Фішера.
Згідно з рівнянням чистої регресії (4) на рис.1. показана зміна коефіцієнта проникності за глибиною шпуру.
, м2•10-6. (4)
Зі збільшенням глибини шпуру до 0,8-1,0 м спостерігається інтенсивне зростання коефіцієнта проникності – у 2,3 раза. Далі, зі збільшенням глибини шпуру більше 1,0 м, проникність масиву істотно зменшується. За довжини шпуру більш 1,75 м збільшення проникності масиву на наступній 0,2 ділянці шпуру не перевищує 1% від проникності всього шпуру.
Рис. 1. Зміна коефіцієнта проникності за глибиною шпуру: 1 – визначає глибину герметизації й дорівнює Ѕ·Кш; 2 – визначає глибину шпуру Кш=Кmax/1,1
За максимальної теоретичної глибини шпуру коефіцієнт проникності масиву порід становитиме 6,21, що всього на 10% перевищує значення коефіцієнта проникності (К1,75=5,65) за глибини шпуру 1,75 м, яка є раціональною. Глибина герметизації дорівнює ділянці шпуру (0,55–0,65 м), на якій проникність становить половину сумарного значення коефіцієнта проникності через увесь шпур. Ці дослідження дозволили сформулювати перше наукове положення.
Витрата скріплювальної речовини, що нагнітається через шпур у масив, залежить від об’єму зміцнюваної породи та її пустотності. Об’єм підраховується на підставі форми фільтраційного потоку, а вона, у свою чергу, залежить від проникності порід. На підставі встановленої залежності зміни проникності порід за глибиною шпуру (3) була розроблена розрахункова схема для визначення контуру фільтраційного потоку ін’єкції речовини при її нагнітанні через шпур, і підрахована витрата скріплювальної речовини. У схемі виділені два види поширення речовини уздовж шпуру – радіальне, через фільтрувальну частину шпуру, і сферичне, від точкового джерела у кінці герметизації шпуру, спрямоване у бік виробки.
Витрата скріплювальної речовини на шпур:
, м3, (5)
де – довжина фільтрувальної частини шпуру, м;
– глибина герметизації шпуру, м;
R1 – мінімальний радіус вершини зрізаного конуса поширення речовини, м;
– пустотність зміцнюваних порід.
Витрата, підрахована за формулою (5), становить третю частину від встановленої в методичних указівках та інструкціях, у яких передбачається рівномірне й повне заповнення всього об’єму пустот зміцнюваних порід.
Відстань між шпурами (lм.ш.) визначається на підставі максимального радіуса контуру фільтраційного потоку скріплювальної речовини в площині напластування R11 і величини перекриття контурів потоків (на 20%) сусідніх шпурів lм.ш.=(R11+ R11)·0,8=1,4h·0,8=1,1h, де h – потужність нестійкої покрівлі, яку зміцнюють, м.
Для обґрунтування витрати скріплювальної речовини на шпур була досліджена пустотність масиву порід попереду очисних вибоїв. На 11 кінцевих ділянках восьми лав виміряні інтенсивність тріщинуватості, розкриття тріщин та інтенсивність сейсмоакустичних хвиль, що проходять через масив порід від різця під час буріння шпуру, і проникність порід через ті самі шпури. Пустотність масиву порід покрівлі визначали за результатами вимірів інтенсивності тріщинуватості й величини розкриття тріщин.
За результатами вимірів установлені залежності: лінійна – пустотності тріщинуватого масиву порід від інтенсивності тріщинуватості
, (6)
R = 0,78, б = 0,004,
де – відносна пустотність масиву, %;
n1 – інтенсивність тріщинуватості масиву порід уздовж очисного вибою, шт/м;
логарифмічна – інтенсивності сейсмоакустичних хвиль від пустотності масиву
, (7)
R = 0,86, б = 0,0015,
де А – інтенсивність сейсмоакустичних хвиль, мкА.
Ці дослідження дозволили сформулювати друге наукове положення.
У третьому розділі “Дослідження напружено–деформованого стану масиву гірських порід на кінцевих ділянках лав” наведені шахтні дослідження й математичне моделювання напружено–деформованого стану (НДС) масиву гірських порід попереду очисних вибоїв.
На 12 кінцевих ділянках 6 лав державних підприємств “Краснодон-вугілля”, “Луганськвугілля”, “Донбасантрацит” були виміряні деформації порід покрівлі у площині напластування.
Дослідження проводили у лавах з механізованим кріпленням МКД-80, МКД-90 і МТ, що стабільно працювали зі швидкістю 3-4 м на добу. Гірничо-геологічні умови відпрацювання лав: потужність пластів від 1,0 до 1,76 м, межа міцності на стискання порід від 30 до 70 МПа, глибина розробки пластів від 395 до 680 м. Системи розробки – стовпова.
У зв'язку і з вивченням деформації покрівлі стосовно до зміцнення порід вимірювальні станції встановлювали на лінії вибою лав і в безпосередній близькості до прилеглих до лав виробок. Вони складалися з двох стійок, які встановлювали паралельно і перпендикулярно вибою лави.
Після установки стійок між реперами в журнал заносили початкові показання індикаторної голівки, положення комбайна і кріплення, а потім їхні зміни в часі й у просторі. Абсолютна деформація покрівлі визначалася як різниця показань індикаторної голівки, відносна – відношенням абсолютної деформації до довжини стійки.
Кількісні значення деформацій становлять: перпендикулярно до очисного вибою – розтягувальні е=(0,0001–0,65)Ч10-3, паралельно до очисного вибою – стискувальні е||=(0,0001–0,25)Ч10-3.
За результатами вимірів отримане рівняння множинної регресії, залежності деформації перпендикулярно до очисного вибою від гірничо-геологічних чинників, при русі комбайна в бік виробки (на ділянці -5 – 0 м):
е = (-0,298 + 0,0011у + 0,19m + 0,0001Н)Ч10-3, (7)
де у – межа міцності стискання порід покрівлі, МПа;
m – потужність пласта, м;
Н – глибина розробки, м.
Множинний коефіцієнт кореляції R=0,96. Значення критерію Фішера
F =26,45; надійність F б = 0,00034 < 0,05.
Основними чинниками, що впливають на деформацію покрівлі на ділянках лав (-5 – 0 м) є: перпендикулярно до вибою лави – потужність пласта
е = (–0,21 + 0,198m)Ч10-3 , (8)
R = 0,92; F = 44,6; бр = 6·10-5 < 0,05;
паралельно до вибою лави – глибина розробки
е|| = (–0,54 + 0,0013H)Ч10-3 , (9)
R = 0,71; F = 3,07; бр = 0,018.
Ці дослідження дозволили сформулювати третє наукове положення.
Математичне моделювання масиву гірських порід і дослідження його НДС на ЕОМ за допомогою методу кінцевих елементів (МКЕ) виконане для встановлення закономірностей утворення й розвитку зон втрати стійкості покрівлі навколо підготовчих виробок у зоні впливу очисних робіт (попереду лави).
Модель масиву розроблена згідно з умовами відробки 8 західної лави пласта l1 шахти ім. ХІХ з'їзду КПРС: потужність пласта 1,0 м; довжина лави 200 м; глибина розробки 580 м; потужність пласта безпосередньої покрівлі (аргіліт) – 1,0 м, підошви (алевроліт) – 15,0 м. Схема складається з 9440 елементів у вигляді паралелепіпедів, з'єднаних в 11016 вузлах, і представлена масивом шарів аргіліту, алевроліту, піщанику та вугілля, кожному з яких задані середні значення модуля пружності, коефіцієнта Пуассона й об'ємної ваги. Нижня межа моделі жорстко закріплена від усіх переміщень, а бокові межі – тільки від горизонтальних. Розміри моделі 7921015925 м (рис. 2).
Область масиву представлена очисним вибоєм, двома підготовчими виробками й прилеглим до виробок простором – масиву вугілля з одного боку й відпрацьованого простору з іншого.
Рис. 4. Схема об’ємної математичної моделі масиву гірських порід
За критерій втрати стійкості порід прийнята еквівалентна напруга (напруга приведена до еквівалентного розтягання) за теорією О. Мора:
МПа, (10)
де – максимальна й мінімальна напруги в досліджуваному елементі моделі, МПа;
– коефіцієнт; –
гранична напруга при одноосьовому розтяганні (=4), МПа;
– гранична напруга при одноосьовому стисканні (=40), МПа.
За результатами розв’язання об’ємної задачі були встановлені залежності параметрів умовних зон втрати стійкості порід від міцності на розтягання (). Втрата стійкості масиву порід відбувається на відстані 5,0 м попереду лави, за ?3,0 МПа, і в 2,0 м за =3,0–4,0 МПа. За цих умов на кінцевих ділянках лав можливі вивали порід з покрівлі.
Ширина умовної зони втрати стійкості покрівлі 1,0–2,5 м від стінки виробки. За <3,0 МПа руйнування покрівлі відбувається на довгій ділянці попереду лави (до 40 м), висота умовної зони втрати стійкості становить 0,8 м і мало залежить від відстані до вибою лави. Якщо породи покрівлі більш міцні, то вони руйнуються безпосередньо перед вибоєм лави.
Оскільки математичне моделювання виконане згідно з конкретними гірничо–геологічними умовами відпрацювання пласта l1, отримані значення деформації покрівлі порівняли із шахтними результатами вимірів. Так, за шахтними вимірами деформації паралельні до вибою лави після проходу комбайна, на відстані станції вимірювання 1,0 м від вибою, становили 0,84·10-3, а за результатами моделювання аналогічні деформації становили 0,7·10-3. Деформації перпендикулярні до вибою лави на відстані 3,0 м від виробки становили 0,44·10-3 і 0,37·10-3 відповідно. Відхилення розрахункових і вимірюваних величин деформацій становлять 16,6 та 15,9%, що підтверджує їхню збіжність.
У четвертому розділі “Лабораторні дослідження властивостей карбамідних скріплювальних речовин та їхні взаємодії з породами” наведені лабораторні дослідження технологічних та адгезійних властивостей скріплювальних речовин на основі карбамідних смол.
За попереднього зміцнення порід, залежно від швидкості посування очисного вибою, роботи проводяться попереду нього на відстані до 20-30 м. При цьому скріплювальну речовину необхідно підбирати з таким терміном ствердіння, щоб повне її ствердіння відбулося тільки при підході очисного вибою. А деформації скріплювальної речовини, за період від часу нагнітання до відслонення покрівлі після виїмки вугілля, повинні бути більшими, ніж деформації зміцнюваних порід.
Існуючі скріплювальні речовини з терміном ствердіння менше доби придатні лише для оперативного зміцнення порід на сполученнях лав з підготовчими виробками. Тому для попереднього зміцнення порід покрівлі на сполученнях лав з підготовчими виробками були розроблені скріплювальні речовини на основі карбамідної смоли з терміном ствердіння від однієї до п’яти діб.
Двокомпонентна скріплювальна карбамідна речовина була розроблена з карбамідної смоли КФ-Ж (вміст смоли у речовині 90, 80, 70, 60 і 50%) та полівінілацетатної дисперсії (ПВАД) марки Д /10с [8].
При ствердінні зразків речовини вимірювали термін гелеутворення й ствердіння, а після ствердіння – міцність на розтягання та відносні деформації. Міцність стверділих зразків речовини на розрив випробовували на розривній машині РМП-50у відповідно до ДСТ 14236-69 "Плівки полімерні. Метод випробування на розтягання". Найбільша міцність на розрив (у) – 6,6 МПа і менші терміни ствердіння (tт), гелеутворення (tг) та відносне подовження стверділої речовини (ев) при вмісті ПВАД – 50%, і становили 5,0 г, 72,0 г, 0,92%, відповідно. При вмісті ПВАД 10%: у – 1,28 МПа, tг – 21 г, tт – 132 г, ев – 1,56%. Відносно тривалий термін гелеутворення (найменший 5,0 г) дозволяє застосовувати просту однорозчинну схему зміцнення.
З метою збільшення міцності стверділої речовини (за тривалого терміну ствердіння речовини) були розроблені трикомпонентні речовини: смола (50-70%), ПВАД (49,9-29,5%), щавлева кислота (0,1-0,5%). Додавання щавлевої кислоти дозволяє зменшити вміст ПВАД і тому знизити вартість речовини. Час ствердіння речовини від 5 до 95 годин, межа міцності на розтягання від 3,96 до 14,38 МПа, деформації – від 0,2 до 1,04%.
Для практичного використання результатів досліджень властивості речовин подали у вигляді діаграми "склад–властивість", на якій зображені три її параметри: термін ствердіння речовини, межа міцності на розтягання й деформація (рис.3).
Рис. межа міцності на розтягання, МПа; деформації, 10-2;
термін ствердіння, год
Для вибору складу речовини необхідно задатися відстанню від вибою до місця проведення робіт і визначити термін ствердіння речовини з урахуванням швидкості посування лави. Знайти на діаграмі ізолінію, що відповідає терміну ствердіння, і на ній вибрати точку, координати якої визначають процентний вміст смоли, ПВАД і щавлевої кислоти, а ізолінії, що проходять через точку – межу міцності на розтягання й деформації стверділої речовини. Підібрана речовина має достатню міцність на розтягання, а її деформації перевищують граничні деформації порід, вона може бути використана як для оперативного, так і для попереднього зміцнення порід.
Для дослідження адгезійних властивостей карбамідних речовин була виміряна межа міцності початкових зразків порід, а потім і склеєних розробленою карбамідною речовиною за ширини тріщин 0,5, 1,0, 2,0 і 5,0 мм. Тріщини утворювали штучно накладанням прокладок між розколотими частинами зразків порід. За ширини тріщин 0,5 і 1,0 мм міцність склеєних зразків 1,8-2,1 МПа дещо більша міцності початкових зразків порід 1,6-1,9 МПа. Зі збільшенням ширини тріщин до 2,0-5,0 мм міцність склеєних зразків, навпаки, зменшилася з 1,25 до 1,2 МПа і з 1,4 до 1,05 МПа, відповідно. На всій площі розколу зразків, із шириною тріщин 0,5, 1,0 і 2,0 мм, спостерігається тільки когезія, розкол проходить по породі на відстані від стверділої речовини; за ширини тріщин 5,0 мм когезія спостерігається тільки на 50% площі розколу.
Основною перевагою розроблених скріплювальних речовин є можливість проведення попереднього зміцнення порід на відстані 2-30 м попереду очисного вибою. Це вирішує актуальну практичну задачу щодо рознесення в часі й просторі очисних робіт на кінцевих ділянках лав і робіт зі зміцнення порід покрівлі пласта. Це дозволяє підвищити ефективність гірничих робіт і зменшити травматизм робітників.
У п'ятому розділі ”Обґрунтування параметрів технології зміцнення порід нагнітанням речовин” на підставі встановлених закономірностях зміни пустотності, фільтраційних і деформаційних властивостей порід попереду лав, технічних властивостей карбамідних речовин розроблена методика визначення параметрів технології зміцнення порід, основою якої є таблиця щодо визначення параметрів (табл. 1).
Таблиця 1
Параметри зміцнення порід залежно від характеристик масиву
Відстань
до
очисного
вибою,
lл , м | Потужність
нестійкої
покрівлі,
h1, м | Інтенсивність
сейсмоакустичних хвиль,
А, мкА | Пустот-ність
масиву,
дт | Глибина
шпуру,
lшп, м | Відстань
між
шпурами,
lм.ш. , м | Глибина
герметизації шпуру,
lг, м | Витрата речовини на шпур,
Q, м3
0 – 5 | 2,0 | ?400 | 0,0010 | 2,3 | 2,20 | 0,70 | 0,0100
1,5 | 401–450 | 0,0025 | 2,0 | 1,65 | 0,65 | 0,0110
1,0 | 451–500 | 0,0050 | 1,7 | 1,10 | 0,60 | 0,0070
5 – 30 | 2,0 | ?400 | 0,0010 | 2,0 | 2,20 | 0,65 | 0,0015
1,5 | 401–450 | 0,0025 | 1,8 | 1,65 | 0,60 | 0,0036
1,0 | 451–500 | 0,0050 | 1,5 | 1,10 | 0,50 | 0,0053
Методика визначення параметрів технології зміцнення:
1. Під час буріння шпуру, приладом ПСЛ-2м вимірюється інтенсивність сейсмоакустичних хвиль від різця, що проходять через породи.
2. За даними вимірів інтенсивності сейсмоакустичних хвиль визначається вид технології зміцнення порід. При А>500 мкА – хімічне анкерування, при А? ?500 мкА – нагнітання скріплювальних речовин.
3. Визначаються параметри технології зміцнення: відстань між шпурами, глибина шпурів, глибина герметизації шпурів, витрата скріплювальної речовини на шпур (табл. 1).
4. Залежно від швидкості посування лави й відстані до вибою лави визначається термін ствердіння скріплювальної речовини.
5. За терміном ствердіння скріплювальної речовини, а також за міцністю та деформацією зміцнюваних порід згідно з діаграмою "склад-властивість" (рис. 3) визначається вміст компонентів у речовині. Потім виготовляється й нагнітається речовина.
Методика визначення параметрів зміцнення випробувана на шахті ім.ІX з'їзду КПРС ДП "Луганськвугілля" при зміцненні покрівлі на сполученні 8 західного похилу з лавою пласта l1. Покрівля пласта представлена малостійким аргілітом ур=4,0 МПа, кут падіння пласта 1–3о, глибина ведення робіт 570 м.
За швидкості посування лави 0,8-1,6 м на добу термін ствердіння речовини із запасом прийнято за 80 годин і підібрана речовина: 66% карбамідної смоли (КФ-Ж) і 34% ПВАД. Характеристики речовини: ур – 5,8 МПа, tг – 9,2 г, ев – 7,4.10-2. Нагнітання робили за однорозчинною схемою спеціально виготовленою портативною пневматичною нагнітальною установкою, яка працює від автономного джерела стисненого повітря або від загальношахтної мережі. Вона складається з металевого балона ємністю 0,01 м3, до якого приєднаний нагнітальний шланг із запірною арматурою й герметизатором. Витрата за запропонованою методикою становила 0,026 м3/шпур замість 0,09 м3/шпур, що рекомендується нормативними документами. Економічний ефект становив 12,1 тис.грн або 101 грн/м посування очисного вибою.
ВИСНОВКИ
Дисертаційна робота є завершеною науковою працею в якій вирішена актуальна науково-практична задача обґрунтування параметрів технології зміцнення порід на кінцевих ділянках лав за допомогою врахування фільтраційних, деформаційних властивостей, пустотності порід і технологічних властивостей скріплювальних речовин для зниження вартості зміцнення порід і підвищення безпеки й ефективності очисних робіт.
Основні наукові й практичні результати виконаної роботи.
1. На підставі аналізу умов відпрацювання лав Донбасу у 2001 р. визначений необхідний обсяг застосування зміцнення порід покрівлі нагнітанням скріплювальних речовин на кінцевих ділянках лав у місцях геологічних порушень, ділянок нестійкої покрівлі, що становить 14,7 тис.м3/рік.
2. За результатами шахтних вимірів встановлена залежність коефіцієнта проникності порід за глибиною шпуру (4), на підставі якої були обґрунтовані основні параметри технології зміцнення: глибина шпуру дорівнює довжині ділянки від устя шпуру до точки де коефіцієнт проникності не перевищує 10% від максимального значення; глибина герметизації – половині сумарного значення проникності через увесь шпур.
3. Установлені залежності пустотності порід покрівлі від частоти тріщин паралельно до очисного вибою й інтенсивності сейсмоакустичних хвиль від пустотності порід покрівлі, які необхідні для визначення пустотності порід при обґрунтуванні витрати скріплювальної речовини.
4. На підставі закономірності зміни коефіцієнта проникності в масиві порід попереду очисного вибою розроблена розрахункова схема для визначення контуру фільтраційного потоку ін’єкції речовини при нагнітанні через шпур. За схемою запропонована формула для визначення витрати скріплювальної речовини на шпур (5), згідно з якою витрата речовини в три рази менша за встановлену в нормативних документах.
5. У шахтних умовах виміряні деформації покрівлі в площині напластування: перпендикулярні до очисного вибою – розтягувальні е=(0,0001––
0,65)Ч10-3, паралельні до очисного вибою – стискувальні е||=(0,0001–0,25)Ч10-3.
6. Розроблена об’ємна математична модель масиву гірських порід методом кінцевих елементів і визначені параметри умовних зон втрати стійкості порід покрівлі, на кінцевих ділянках лав та попереду очисного вибою, від міцності порід на розтягання. Адекватність моделі натурі підтверджена збіжністю отриманих результатів деформації порід (розбіжність 16,6%).
8. Розроблені скріплювальні речовини тривалого терміну ствердіння (до 120 год) на основі карбамідної смоли (50-70%), ПВАД (29,5-49,9%) і щавлевої кислоти (0,1-0,5%) з деформаціями на порядок більшими, ніж граничні деформації зміцнюваних порід. Ці речовини придатні для попереднього й оперативного зміцнення порід на кінцевих ділянках лав і сполученнях підготовчих виробок з очисними вибоями.
Складена діаграма "склад-властивість" для визначення співвідношення компонентів скріплювальної речовини з необхідними властивостями.
9. Розроблена методика визначення параметрів технології зміцнення порід на кінцевих ділянках лав на підставі встановлених параметрів технології зміцнення, виміряних деформацій покрівлі на кінцевих ділянках лав і розроблених скріплювальних карбамідних речовинах тривалого терміну ствердіння.
10. Розроблені методика визначення параметрів зміцнення й скріплювальна карбамідна речовина, успішно випробувані в шахтних умовах при зміцненні порід покрівлі на сполученні восьмого західного похилу з лавою пласта l1 шахти ім.ІX з'їзду КПРС ДП "Луганськвугілля". Економічний ефект становив 12,1 тис. грн або 101 грн/м посування очисного вибою.
Основні положення і результати дисертації опубліковані у наступних роботах:
1. Деформации кровли в лавах / Н.К. Клишин, К.З. Склепович, С.И. Касьян, О.Л. Кизияров // Уголь Украины. –2004.–№1. – С.16–19.
2. Клишин Н.К. Упрочнение кровли в лавах / Н.К. Клишин, К.З. Склепович, О.А. Герасько // Уголь Украины. – 2004. –№2. – С.15–19.
3. Склепович К.З. Разработка карбамидных составов длительного отверждения для упрочнения пород / К.З. Склепович // Сб. науч. тр. / ДГМИ. – Алчевск, 2002.– Вып.16. – С.29–34.
4. Склепович К.З. Исследование деформации кровли на концевых участках лав пологих пластов / К.З. Склепович // Сб. науч. тр. / ДГМИ. – Алчевск, 2003.– Вып.17. – С.202–205.
5. Склепович К.З. Проницаемость пород вокруг выработок впереди лавы / К.З. Склепович // Сб. науч. тр. / ДГМИ. – Алчевск, 2004.–Вып.18. – С.67-73.
6. Пустотность трещиноватого массива пород на сопряжении лавы с выработкой / Н.К. Клишин, К.З. Склепович, С.И. Касьян и др. // Сб. науч. тр. / ДГМИ. – Алчевск, 2004.–Вып.18.– С.12–20.
7. Клишин Н.К. Взаимодействие современных механизированных крепей с боковыми породами очистных забоев / Н.К. Клишин, К.З. Склепович // Вестник МАНЭБ.– СПб; Алчевск, 2003.–Вып.5(65). – С.19–20.
8. Пат. UA 50527 , МПК6 Е21 D 20/00. Полімерний склад тривалого терміну ствердіння / М.К. Клішин, К.З. Склепович; заявитель і патентовласник Донб. гірн.–металург. ін–т. – №2002020923; заявл. 05.02.2002; опубл. 15.10.2002, Бюл.№10.
9. Клишин Н.К. Обоснование технологических параметров карбамидных скрепляющих составов для упрочнения пород на шахтах / Н.К. Клишин, К.З. Склепович, О.А. Герасько // Матеріали ІІ науково-практичної конференції “Донбас –2020: Наука і техніка - виробництву” (Донецьк, 03–04 лютого 2004 року). – Донецьк, 2004. – С.213–216.
10. Склепович К.З. Напряженно–деформированное состояние кровли на концевых участках лав / К.З. Склепович // Матеріали VІІ науково-практичної конференції “Наука і освіта 2004” (Дніпропетровськ, 10-25 лютого 2004 року). – Дніпропетровськ, 2004. – С. 29–31.
Внесок автора в роботи, опубліковані у співавторстві:
[1, 7] - виконання шахтних вимірів, встановлення залежностей деформації покрівлі від гірничо-геологічних чинників; [2, 9] - запропонована формула для визначення об’єму масиву зміцнюваних порід за нагнітання скріплювальної речовини через шпур; розроблення й дослідження властивостей скріплювальних карбамідних речовин, встановлення закономірностей проникності й деформації порід на сполученнях лав з підготовчими виробками, діаграма "склад-властивість"; [6] - встановлення залежностей тріщинуватості від гірничо-геологічних чинників, пустотності від тріщинуватості й інтенсивності сейсмоакустичних хвиль від пустотності порід; [8] - планування й проведення лабораторних експериментів, формула винаходу.
АНОТАЦІЯ
Склепович К.З. „Обґрунтування параметрів технології зміцнення порід на кінцевих ділянках лав”. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.02 – „Підземна розробка родовищ корисних копалин”. Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2006 р.
Дисертація присвячена обґрунтуванню параметрів технології зміцнення порід нагнітанням скріплювальних речовин на кінцевих ділянках лав. Аналіз технічної літератури й досвіду зміцнення порід на шахтах Донбасу показав, що основною причиною малого обсягу застосування зміцнення є висока вартість цих робіт, яка визначається параметрами технології, і тому необхідне обґрунтування параметрів на геомеханичній підставі.
Досліджені властивості масиву порід на кінцевих ділянках лав і попереду очисних вибоїв: тріщинуватість, проникність,
