МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НацІональнИй гІрнИЧИй УнІверситет

ВАСИЛЬЄВ ВІТАЛІЙ ЄВГЕНОВИЧ

УДК 622.272.6: 622.016.6

ОБГРУНТУВАННЯ ГРАНИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ

КОНЦЕНТРАЦІЇ ГІРНИЧИХ РОБІТ ПРИ ВІДРОБЦІ

ЗБЛИЖЕНИХ ВУГІЛЬНИХ ПЛАСТІВ ЗАХІДНОГО ДОНБАСУ

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 підземної розробки родовищ Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор, професор БУЗИЛО

кафедри підземної розробки родовищ Володимир

Національного гірничого університету Іванович

(м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти

і науки України.

Офіційні опоненти:

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

Національного гірничого університету Іванович

(м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти

і науки України;

кандидат технічних наук, директор КУКЛІН

шахтоуправління ім. Героїв Космосу Володимир

ВАТ “Павлоградвугілля” Юрійович

Провідна установа: Криворізький технічний університет, кафедра підземної розробки родовищ корисних копалин Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться “ 23 ” червня 2006 р. о 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03 із захисту дисертацій при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 49005, 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 (49005, м. Дніпропетровськ, пр.К.Маркса,19).

Автореферат розісланий “ 22 травня ” травня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03,

кандидат технічних наук, доцент В.І. Тимощук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Характерною особливістю залягання пластів Західного Донбасу є те, що світа, що розробляється складається переважно з трьох-шести пар зближених пластів, потужність міжпластя яких становить менше 12 м. У таких пластах зосереджено близько 40% балансових запасів шахт. Максимальні відстані між суміжними пластами не перевищують 50 м.

Ще однією особливістю регіону є те, що практично всі запаси зосеред-жені в тонких і дуже тонких вугільних пластах.

Відповідно до положень Програми “Основи стратегії розвитку вугільної промисловості України на період до 2010 року” одним з основних напрямків економічного і соціального розвитку держави є підвищення ефективності роботи вуглевидобувної галузі за рахунок збільшення обсягів видобутку вугілля, зниження його собівартості та підвищення рівня рентабельності шахт. Вирішення цих задач в умовах Західного Донбасу неможливе без підвищення інтенсивності відробки пластів. Тому вже сьогодні на деяких шахтах виникає необхідність максимального зближення очисних і підготовчих робіт, що виконуються на зближених пластах, тобто повинна зростати концентрація гірничих робіт. Питання розташування безпечних границь такої концентрації при відпрацюванні зближених пластів дотепер залишаються відкритими.

У зв’язку з цим актуальною науковою та практичною задачею є оцінка впливу гірничих робіт на напружено – деформований стан гірського масиву, визначення границь безпечного й економічно доцільного розташування гірничих виробок при веденні гірничих робіт на зближених пластах. Цьому і присвячена дисертаційна робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертація виконувалася в період виробничої діяльності здобувача на шахтах ВАТ “Павлоградвугілля” у 2000-2005 рр., як складова частина наукових досліджень, проведених разом з Національним гірничим університетом (тема 010165 “Дослідження впливу параметрів напружено – деформованого стану гірського масиву на ведення очисних і підготовчих робіт в умовах шахти “Степова” ВАТ “Павлоградвугілля”, № держреєстрації 0102U004377 і ГП-341 “Розробка та впровадження моделі впливу техногенних факторів на геомеханічні процеси в структурно-неоднорідному гірському масиві”, № держреєстрації 0104U000783).

Напрямок виконаних досліджень відповідає “Основам стратегії розвитку вугільної промисловості України на період до 2010 року”.

Мета роботи полягає в обґрунтуванні граничних параметрів взаємо-розташування очисних і підготовчих виробок при концентрації гірничих робіт на зближених вугільних пластах.

Ідея роботи полягає в урахуванні взаємного впливу ведення очисних та підготовчих робіт при визначенні безпечних границь їх концентрації на зближених вугільних пластах.

Основні задачі досліджень:

1. Оцінити вплив одночасної відробки двох зближених вугільних пластів на напружено – деформований стан гірського масиву при випереджувальній надробці, як основного фактора впливаючого на концентрацію гірничих робіт.

2. На основі аналізу впливаючих гірничо-геологічних та гірничотехнічних факторів визначити раціональні границі концентрації гірничих робіт, що забезпечують безпечне й економічно доцільне ведення очисних і підготовчих робіт на зближених пластах.

3. Провести шахтні дослідження проявів гірського тиску в очисних і підготовчих виробках у процесі концентрації гірничих робіт при відробці зближених вугільних пластів, оцінити вірогідність результатів теоретичних досліджень.

Об’єкт досліджень – параметри концентрації очисних і підготовчих робіт при відробці двох зближених пластів з випереджувальною надробкою.

Предмет досліджень – допустимі відстані між очисними вибоями зближених пластів та границі доцільного закладання підготовчих виробок пласта, що надроблюється за фактором проявів гірського тиску.

Методи досліджень. У роботі використаний комплексний метод, який включає аналіз, узагальнення сучасного стану предмета досліджень, теоре-тичне обґрунтування розрахункових схем і гіпотез які використовуються, шахтні інструментальні виміри зсувів гірських порід та візуальні спостереження за проявами гірського тиску, чисельне визначення напружено-деформованого стану породного масиву і статистичну обробку результатів.

Наукові положення, що виносяться на захист:

1. Границі концентрації гірничих робіт на зближених пластах визна-чаються за фактором їх взаємного впливу, який характеризується допустимими напруженнями і зсувами вміщуючих порід у лавах, визначення яких реалізується методом граничних елементів з урахуванням глибини ведення гірничих робіт, потужності порід міжпластя (h), відстані між лавами, фізико-механічних характеристик вміщуючих порід. Для розглянутих умов шахт Західного Донбасу безпечні за фактором гірського тиску відстані між очисними вибоями зближенних пластів складають не менше 70 м при h = 5 м і 60 м при h = 15 м.

2. При концентрації гірничих робіт на зближених пластах необхідно комплексно враховувати еквівалентні напруження в масиві і максимальні допустимі зсуви порід по контуру виробки. Для розглянутих умов границями безпечного й економічно доцільного закладення підготовчих виробок по нижньому надробленому пласту є відстані до крайової частини верхнього пласта, які дорівнюють 60 м при потужності міжпластя h = 5 м і 25 м при h = 15 м, а скорочення цих відстаней до нуля призводить до повної втрати перерізу виробок з п’ятикратним перебільшенням напружень в покрівлі виробок межі міцності гірських порід на стиск.

Наукова новизна отриманих результатів:

- вперше для гірничо-геологічних умов шахт Західного Донбасу встановлені кореляційні співвідношення для максимальних зсувів покрівлі і підошви кожного з двох зближених пластів. Вони потрібні для визначення такої мінімальної відстані L між очисними вибоями суміжних пластів, при якій максимальні зсуви в очисних виробках не перевищують допустимих значень. Співвідношення враховують глибину розробки, потужності пластів і потужності порід міжпластя, модулі пружності вугілля та модулі пружності вміщуючих порід;

- встановлені кореляційні залежності між максимальними еквівалентними напруженнями і максимальними зближеннями підошви та покрівлі підготовчої виробки з урахуванням впливу очисних робіт по верхньому пласту за допомогою коефіцієнтів привантаженості до рівня геостатичного тиску, отриманих методом граничних елементів;

- встановлені кореляційні залежності між відстанню від крайової частини верхнього пласта до місця закладання підготовчої виробки нижнього пласта і величиною зсуву бічних порід по її контуру, що дозволяє визначити раціональне розташування підготовчої виробки відносно гірничих робіт по верхньому пласту та забезпечити її безремонтну підтримку в період усього терміну експлуатації.

Наукове значення роботи полягає у встановленні залежностей параметрів концентрації гірничих робіт від проявів гірського тиску в очисних і підготовчих виробках зближених вугільних пластів шахт Західного Донбасу.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджуються результатами порівнянь розрахункових значень зближень покрівлі і підошви очисних та підготовчих виробок з відповідними даними натурних вимірів (при збігу якісної картини розподілу зсувів кількісні оцінки відрізняються не більше ніж на 20%).

Множинні кореляційні співвідношення встановлених залежностей мають значення 0,74...0,96, а величини критерію Фішера не перевищують однопроцентної межі відхилень, що свідчить про достатньо тісну кореляцію досліджуваних випадкових величин з параметрами, які вар’їрувались і статистичної значимості встановлених зв’язків.

Практичне значення роботи полягає в наступному:

1. На основі встановлених закономірностей проявів гірського тиску при виїмці зближених пологих вугільних пластів розроблена “Методика визначення раціонального розташування підготовчих виробок при відробці зближених пластів Західного Донбасу”.

Складена методика прийнята для використання на шахтах ВАТ “Павлоградвугілля” і в проектній організації ДВАТ “Дніпродіпрошахт”.

2. Сформульовані рекомендації стосовно параметрів ведення очисних робіт і розташування підготовчих виробок при концентрації гірничих робіт на зближених пластах Західного Донбасу:

- при потужності міжпластя h = 5 м відстань L між очисними вибоями суміжних пластів, за фактором гірського тиску, повинна бути не менше 70 м; при потужності міжпластя h = 12...15 м очисні вибої суміжних пластів повинні бути на відстані L 60 м один від одного;

- при концентрації гірничих робіт на зближених пластах підготовчу виробку нижнього пласта необхідно розташовувати в надробленій зоні на відстані l від крайової частини верхнього пласта, що дорівнює не менше 60 м при потужності міжпластя h = 5 м і не менше 25 м при h = 15 м.

Реалізація результатів роботи. Сформульовані рекомендації з розра-хунку параметрів схеми відробки зближених пластів враховані при плануванні та проведенні гірничих робіт на шахті “Степова” ВАТ “Павлоградвугілля”.

Фактичний економічний ефект, обумовлений зменшенням витрат на під-тримку і повторне використання 115-го бортового штреку 117-ої “біс” лави, при його закладанні в 25 м від кромки пласта с61 склав 808860 грн.

Особистий внесок автора полягає в аналізі джерел інформації, формулюванні ідеї роботи і постановці задач геомеханіки, виборі методів їх розв’язання. Автор брав участь у проведенні шахтних досліджень проявів гірського тиску в умовах відробки зближених пластів шахти “Степова” і розробці “Методики визначення раціонального розташування підготовчих виробок при відробці зближених пластів Західного Донбасу”.

У проведенні натурних досліджень брали участь співробітники кафедри підземної розробки родовищ Національного гірничого університету і праців-ники шахти “Степова” ВАТ “Павлоградвугілля”. Розробка обчислювальних програм виконувалася разом із співробітниками кафедри вищої математики Національного гірничого університету. Усім їм автор висловлює щиру подяку.

Апробація роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися й одержали схвалення на Українсько-Польському форумі гірників - 2004 (Ялта, 2004), науково-практичній конференції “Метан вугільних родовищ” (Дніпропетровськ), а також на науково-технічних нарадах ВАТ “Павлоградвугілля” (2004 і 2005).

Публікації. За темою дисертації здобувачем опубліковані 8 наукових праць, у тому числі 6 статей у фахових виданнях і 2 статті - в збірниках матеріалів науково-технічних конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, висновку, переліку використаних джерел із 129 найменувань на 14 сторінках, містить 124 машинописних сторінки, 45 рисунків, 11 таблиць і 5 додатків на 13 сторінках. Загальний обсяг роботи становить 137 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані мета і задачі досліджень, наведені наукові положення, що виносяться на захист, представлене наукове і практичне значення роботи, а також дані щодо реалізації роботи та її апробації в публікаціях.

У першому розділі наведена специфіка відпрацювання зближених шахтопластів Західного Донбасу, наведений аналіз стану питання, обґрунтовані методи розв’язання поставлених задач.

У даний час запаси шахт розглянутого регіону представлені тонкими і дуже тонкими вугільними пластами потужністю 0,6...1,2 м з кутами падіння 3…5є. Потужність порід міжпластя зближених пластів складає 7...12 м. Підготовка шахтних полів - погоризонтна, система розробки - стовпова з
відпрацюванням стовпів, в основному, зворотним ходом за підняттям спареними лавами. Усі лави обладнані механізованими комплексами, у тому числі і нового технічного рівня (КД-90, КД-99, ДМ).

У зв’язку з невеликою потужністю порід міжпластя відпрацювання зближених пластів ведеться в спадному порядку. При цьому, до останнього часу, гірничі роботи по верхньому пласту велися з випередженням, як мінімум, на один - два виїмкових стовпи. Це дозволяло розміщати гірничі виробки нижнього пласта в надробленій зоні, поза зоною впливу очисних робіт верхнього пласта. Однак, при інтенсифікації робіт з видобутку вугілля, у зв’язку з впровадженням нової, більш продуктивної виїмкової техніки, виникла необхідність скорочення відстаней між гірничими роботами по пластах, що розробляються. Зокрема, на шахті “Степова” ВАТ “Павлоградвугілля” при відробці зближених пластів с6 и с61 з потужністю міжпластя 10...11 м було прийнято рішення про закладення бортового штреку пласта с6 на відстані 15 м по нормалі від крайової частини пласта с61. Це рішення базувалося на рекомендаціях існуючої нормативної методики УкрНДМІ. У результаті виробка потрапила в зону впливу очисних робіт вищерозташованої лави пласта с61. Для її відновлення була зроблена підривка порід підошви і наступне перекріплення за всією довжиною. При цьому фактичні витрати на відновлення 1 п.м. виробки склали 1928,35 грн, у той час як витрати на проведення 1 п.м. нової виробки становили 2039,43 грн. Це показує, що існуючі нормативні методики не забезпечують необхідної стійкості виїмкових виробок і не можуть бути використані для обґрунтування безпечних границь концентрації гірничих робіт на зближених пластах в умовах шахт Західного Донбасу.

Аналіз робіт, присвячених взаєморозташуванню підготовчих та очисних виробок на зближених пластах показав, що однозначного вирішення щодо цього питання не існує. Багато вчених ВНДМІ пропонують використовувати в цьому випадку кути зсуву порід і не враховують вплив надробки на розміри зон підвищеного тиску. М.П. Зборщик, В.В. Назімко та інші вчені оперують в основному довжиною лави L, глибиною відпрацювання Н і рекомендують закладати виробки в зоні надробки розвантажувальними лавами. проте у цьому випадку не враховується перерозподіл напружень при відпрацюванні крайової частини вищерозташованого пласта.

Питаннями підтримки й охорони гірничих виробок займалися багато відомих вчених ВНДМІ, УкрНДМІ, ДонВУГІ, ДонНТУ та ін. Практично усі сходяться на думці, що при відпрацюванні зближених пластів необхідно уникати тимчасового взаємного впливу очисних і підготовчих робіт на зближених пластах один на одного і прагнути розташовувати виробки поза зоною їх взаємовпливу. Однак, однозначного рішення при визначенні просторових і часових параметрів їх взаєморозташування немає. Є розходження й у підходах до їх визначення.

Аналіз даних джерел показав, що запропоновані рекомендації не можуть бути використані на шахтах Західного Донбасу для обґрунтування параметрів системи розробки зближених пластів через те, що вони не враховують особливостей умов їх відпрацювання, фізико-механічних властивостей вміщу-ючих порід і порід міжпластя, від яких власне і залежать величини напружень навколо гірничих виробок і, зрештою, їх стійкість. Так, внаслідок низької міцності вміщуючих порід, розробка пластів у даному регіоні супроводжується інтенсивним здиманням порід підошви, видавлюванням порід з боків і покрівлі у виробку. Дослідження НГУ та ІГТМ НАН України показали, що потужність пластів, охоплених здиманням, сягає 6...7 м, причому здимання порід підошви підготовчих виробок у зонах впливу очисних робіт складає 60...70% від величини загальної конвергенції порід покрівлі і підошви.

Процесу здимання і видавлювання порід у виробки сприяють реологічні властивості вміщуючих порід, особливо аргілітів. Виходячи з даних лабораторних випробувань зразків, ці властивості виявляються при навантаженні, яке складає всього 20% від руйнівних навантажень.

Великий обсяг робіт на шахтах Західного Донбасу, у тому числі тією чи іншою мірою пов’язаних з відробкою зближених пластів, виконаний вченими регіональних інститутів: ІГТМ НАН України, “Дніпродіпрошахт”, НГУ - Б.М. Усаченко, А.М. Зоріним, І.Є. Головчанським, О.М. Шашенком, Г.С. Піньковським, О.В. Колоколовим, М.Т Гришко., О.В. Савостьяновим, Ю.М. Халимендиком, В.Ю. Кукліним, В.О Марголіним. та ін. Аналіз цих розробок показав, що вони ґрунтуються на емпіріоаналітичних рішеннях, які не відображають необхідний спектр гірничо-геологічних умов, а також динаміку проявів гірського тиску при концентрації гірничих робіт. Необхідно розробити більш універсальний підхід, який би дозволив визначати параметри зон підвищеного гірського тиску при існуючому порядку відробки зближених пластів з метою визначення допустимих границь зближення (концентрації) гірничих робіт. При цьому повинна бути врахована специфіка розглянутого регіону, існуючі гірничо-геологічні, геометричні та технологічні параметри відробки шахтопластів.

Аналіз існуючих методів оцінки напружено-деформованого стану гірського масиву навколо очисних і підготовчих виробок, параметрів опірних зон, величин і характеру розподілу напружень у масиві показав, що дана задача може бути ефективно вирішена методом граничних елементів. Цей метод в останні роки з успіхом застосовується при розв’язанні різних задач геомеханіки як закордонними, так і вітчизняними дослідниками, зокрема вченими НГУ
Л.В. Новіковою, О.М. Шашенком, В.І. Бондаренком, І.О. Садовенком, О.В. Колоколовим, П.І. Пономаренком та ін.

В другому розділі виконане обґрунтування мінімально допустимих відстаней між лавами зближених пластів при випереджувальній надробці для умов шахт Західного Донбасу. Для цього на базі методу граничних елементів розроблений алгоритм оцінки напружено-деформованого стану гірських порід при відпрацюванні двох зближених пластів з випереджувальною надробкою. Розрахункова схема наведена на рис. 1.

Частина виробленого простору (l-l1) заповнена зруйнованими породами, параметр l1 являє собою сталий крок обвалення порід основної покрівлі.

Глибина ведення гірничих робіт Н , відстань між вибоями L і потужність міжпластя h – вар’їруємі геометричні параметри. До вар’їруємих параметрів відносяться також модулі пружності породи і вугілля Еп і Еу, діюче навантаження - вага порід у вертикальному напрямку прийнята такою, що дорівнює Н, у горизонтальному - Н.

Рис. 1. До визначення припустимої відстані L між очисними вибоями при концентрації гірничих робіт на зближених пластах

Задача визначення напружено – деформованого стану досліджуваної області масиву вирішена методом граничних елементів у тій його модифікації, яку прийнято називати методом фіктивних навантажень. При цьому оцінка напруженого стану масиву навколо виробок виконувалася за відомим критерієм П.П. Баландіна, відповідно до якого порівнювані з межею міцності породи еквівалентні напруження визначалися за формулою:

, (1)

где 1, 2, 3 – головні напруження, МПа; р/с; р та с – межі міцності породи на розтягання і стиск, МПа.

Отримані значення розподілу еквівалентних напружень у досліджуваній області гірського масиву (рис. 2) дали можливість зробити висновок про дуже негативний вплив відстаючої лави на ведення гірничих робіт з верхнього пласта при зменшенні її відставання менш ніж на 30 м.

При відстані між досліджуваними очисними вибоями 30...60 м концен-трація напружень попереду лави в покрівлі нижнього пласта майже в 1,4 вище, ніж у покрівлі верхнього пласта (рис. 3). Це пояснюється впливом задньої зони опорного тиску випереджувальної лави верхнього пласта.

При відстані між лавами 60...70 м концентрація напружень в опорній зоні обох лав практично вирівнюється, що говорить про відновлення нормального для даної глибини гірського тиску, який наприклад, в умовах Донбасу відновлюється на відстані, що майже дорівнює довжині лави.

Прийнятий математичний апарат і розроблений алгоритм розрахунку дозволяє встановити не тільки перерозподіл напружень у досліджуваній області гірського масиву, але й визначити деформації, а саме - зсуви бічних порід в очисних і підготовчих виробках при різному їх розташуванні відносно один одного.

Рис. 3. Максимальні коефіцієнти концентрації напружень уу в покрівлі: а нижнього пласта с6 ; б верхнього пласта с6 1

На рис. 4 наведена просторова діаграма максимальних вертикальних зсувів порід покрівлі нижнього пласта, отриманих для конкретних гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов прийнятих у розрахунках.

Рис. 4. Поверхня максимальних вертикальних зсувів покрівлі нижнього пласта

В результаті статистичної обробки даних, отриманих при проведенні математичного експерименту, встановлені кореляційні співвідношення (2) для максимальних вертикальних зсувів порід покрівлі і максимальної конвергенції в лавах, що відпрацьовують зближені пласти при різній відстані між ними.

Коефіцієнти кореляції R для цих залежностей мають значення, які дорівнюють 0,94, 0,96; 0,94 і 0,74 відповідно.

Отримані співвідношення можуть бути використані для визначення відстані L між очисними вибоями зближенних пластів, при якій для даної потужністі міжпластя в гірничо-геологічних умовах, що розглядаються, макси-мальні переміщення в очисних виробках у випадку випереджувальної надробки не перевищують допустимих значень:

;

;

(2)

;

.

На основі аналізу напружень і зсувів у досліджуваній області гірського масиву встановлено, що для гірничо-геологічних умов Західного Донбасу при відпрацюванні зближених пластів з потужністю міжпластя від 5 до 15 м мінімально допустима безпечна відстань між лавами зближених пластів за фактором опорного тиску складає 60...70 м.

У третьому розділі наведене обґрунтування місця закладання підготовчої виробки по нижньому зі зближених пластів, що розробляються. При концентрації гірничих робіт ця виробка повинна знаходитися на такій відстані від крайової частини верхнього пласта, яка б виключала вплив на неї очисних робіт з пласта, що надроблюється (рис. 5).

Дана задача вирішена в плоскій постановці. Для врахування впливу очисних робіт використовуються коефіцієнти привантаження. У результаті роз-рахунку отримані дані про формування навантажень у підошві та покрівлі під-готовчої виробки залежно від місця її закладання.

На рис. 6 наведені епюри еквівалентних напружень навколо виробки при закладанні її безпосередньо під крайовою частиною верхнього пласта при потужності міжпластя h = 5 м. Максимальні напруження значно перевищують межу міцності вміщуючих порід. Це говорить про те, що таке розташування виробок недопустиме.

Рис. 5. До визначення коефіцієнта концентрації напруг уу в покрівлі підготовчої виробки пласта с6

Для узагальнення результатів теоретичних досліджень максимальні еквівалентні напруження визначалися в небезпечних перерізах виробки для параметра l , значення якого змінювалися від 0 до 80 м.

Рис. 6. Епюри еквівалентних напруг уздовж контуру виробки при h = 5 м, l = 0

Отримані дані піддавалися статистичному аналізу, у результаті чого були встановлені наступні кореляційні залежності максимальних еквівалентних напружень від параметра l:

у підошві

при h = 5 м , МПа; (3)

при h = 15 м , МПа; (4)

у покрівлі

при h = 5 м , МПа; (5)

при h = 15 м , МПа; (6)

Коефіцієнти кореляції R для цих залежностей мають значення, які дорівнюють 0,83; 0,97; 0,93 і 0,96 відповідно.

Розрахунок зсувів бічних порід на контурі виробки був проведений з урахуванням значень отриманих напружень. За результатами отриманих даних на основі статистичного аналізу встановлені кореляційні залежності, що пов'язують зближення порід покрівлі та підошви виробки з відстанню l, які мають наступний вигляд:

для h = 5 м , мм; (7)

для h = 15 м , мм. (8)

Коефіцієнти кореляції цих залежностей дорівнюють відповідно 0,91 і 0,96. У результаті виконаних розрахунків установлено, що мінімальна відстань від крайової частини верхнього з пари зближених пластів до підготовчої виробки нижнього пласта повинна бути не менше 60 м при потужності міжпластя h = 5 м і 25 м при h = 15 м. Це виключає вплив на неї очисних робіт верхнього пласта.

У четвертому розділі наведені результати шахтних досліджень проявів гірського тиску при відпрацюванні зближених вугільних пластів Західного Донбасу. Дослідження проводилися в 2000-2004 роках на прийнятій за базову шахті “Степова” ВАТ “Павлоградвугілля”, яка відпрацьовує пласти с6 та с6/ з потужністю міжпластя 10...11 м.

У процесі виконання досліджень вивчений характер прояву гірського тиску в 11 очисних і 10 підготовчих виробках, установлено фактичні зсуви бічних порід, параметри опорних зон та їх вплив на виробки при концентрації гірничих робіт.

Для перевірки результатів теоретичних досліджень підготовчі виробки нижнього пласта с6 були закладені на відстані 25 і 40 м від кромки верхнього пласта с6/. У першому випадку був відзначений вплив від ведення очисних робіт з верхнього пласта, однак величина конвергенції зменшилася більш ніж у два рази, у порівнянні з раніше прийнятим варіантом закладення виробки на відстані 15 м від кромки верхнього пласта (рис. 7). При збільшенні цієї відстані до 40 м вплив очисних робіт верхнього пласта не відзначений, а виробка поводила себе аналогічно застосовуваному раніше закладанню її на відстані 400 м від ведення гірничих робіт верхнього пласта.

Рис. 7. Зміна величини конвергенції покрівлі та підошви виробки при закладанні її від крайки верхнього пласта на відстані l = 15; 25 и 40 м

В результаті виконання шахтних досліджень була підтверджена можливість використання запропонованого аналітичного підходу, математичного апарату й отриманих залежностей для обґрунтування границь концентрації гірничих робіт на зближених пластах Західного Донбасу. Розбіжність результатів розрахунків з фактичними значеннями досліджуваних параметрів не перевищувала 20%, що задовільняє необхідній точності розрахунків.

Обґрунтування безпечних границь концентрації гірничих робіт дало можливість розробити дві технологічні схеми відпрацювання зближених пластів при стовповій і комбінованій системах розробки, в яких допустиме розташування очисних і підготовчих виробок враховуе встановлену динаміку гірського тиску.

Впровадження результатів досліджень при визначенні допустимих меж закладання підготовчих виробок при концентрації гірничих робіт на пластах с6 і с6/ шахти “Степова” дозволило зменшити витрати на їх підтримку з 1928,35 до 1254,3 грн/п.м при l = 25 м і до 1155,3 грн/п.м.при l = 40 м. Фактичний економічний ефект тільки за однією виробкою склав понад 800 тис.грн.

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій вирішена актуальна наукова задача обґрунтування граничних параметрів концентрації гірських робіт на основі встановлення закономірностей проявів гірського тиску в очисних і підготовчих виробках при відпрацьюванні зближених вугільних пластів в умовах шахт Західного Донбасу.

Основні наукові та практичні результати зводяться до наступного:

1. На основі методу граничних елементів зроблена оцінка впливу одночасного відпрацювання двох зближених вугільних пластів на напружено-деформований стан гірського масиву при випереджувальній надробці.

Результати розрахунків за розробленим алгоритмом узагальнені та наведені у вигляді співвідношень, які характеризують закономірності прояву гірського тиску при вийманні зближених пластів у розглянутих гірничо-геологічних умовах.

Прийнятий математичний апарат і отримані кореляційні співвідношення для визначення максимальних зсувів порід підошви та покрівлі розглядаємих пластів, що враховують глибину розробки, потужність пластів і міжпластя, фізико-механічні характеристики вугілля та вміщуючих порід, а також відстань між лавами і є основою для визначення безпечних границь ведення очисних робіт на зближених пластах.

Отримані кореляційні співвідношення, що дозволяють оцінити максимальні еквівалентні напруження в масиві та зсуви бічних порід навколо виробки дають можливість визначити безпечну відстань між підготовчими виробками й очисними роботами на зближених пластах.

2. На основі аналізу впливаючих гірничо-геологічних і гірничотехнічних факторів, а також результатів моделювання визначено раціональні межі концентрації гірничих робіт, що забезпечують безпечне та економічно доцільне ведення очисних і підготовчих робіт на зближених пластах.

Для розглянутих умов шахт Західного Донбасу безпечні за фактором гірського тиску відстані між очисними вибоями зближених пластів складають: не менше 70 м при h = 5 м та 60 м при h =15 м.

Для визначення мінімально допустимих границь безпечного за фактором гірського тиску й економічно доцільного закладання гірничих виробок при концентрації гірничих робіт на зближених пластах необхідно комплексно враховувати еквівалентні напруження в масиві та максимально допустимі зсуви порід навколо виробок. Для розглянутих умов визначені відстані стосовно пласта, що надроблюється, до крайової частини верхнього пласта, які дорівнюють: 60 м при потужності міжпластя h = 5 м і 25 м при h = 15 м. В міру скорочення цих відстаней напруження в покрівлі розглядаємих виробок різко зростають і безпосередньо під крайовою частиною пласта більш ніж у 5 разів перевищують межу міцності порід на стиск. А це призводить до втрати перерізу виробок, необхідності їх перекріплення та ремонту.

3. Для оцінки вірогідності результатів теоретичних досліджень проведені шахтні дослідження проявів гірського тиску в очисних і підготовчих виробках у процесі відпрацювання зближених вугільних пластів. Встановлено, що концентрація гірничих робіт на зближених пластах можлива і доцільна в певних межах. Границі такої концентрації мають бути обґрунтовані з точки зору безпеки за фактором гірського тиску й економічних витрат на проведення, ремонт і перекріплення виробок.

Перевірка збіжності результатів теоретичних розрахунків з фактичними значеннями досліджуємих параметрів показала, що розбіжності не перевищують 20%, а тому можна використовувати результати даної роботи при обґрунтуванні границь концентрації гірничих робіт на зближених пластах.

4. На основі отриманих кореляційних залежностей і результатів шахтних спостережень розроблена “Методика визначення раціонального розташування підготовчих виробок при відпрацюванні зближених пластів Західного Донбасу”, яка прийнята для використання на шахтах ВАТ “Павлоградвугілля” і в проектній організації ДВАТ “Дніпродіпрошахт”.

Для гірничо-геологічних умов шахт Західного Донбасу сформульовані рекомендації з планування гірничих робіт та відпрацювання зближених вугільних пластів. Ці рекомендації враховані при плануванні і проведенні гірничих робіт на шахті “Степова” ВАТ “Павлоградвугілля”.

Фактичний економічний ефект, обумовлений зменшенням витрат на підтримку і повторне використання 115-го бортового штреку 117-“біс” лави, при його закладанні у 25 м від кромки пласта с61, склав 808860 грн.

Основні положення і результати дисертації опубліковані в наступних роботах:

1. Исследование состояния выемочных штреков при отработке сближенных пластов Западного Донбасса / В.И.Бузило, В.Е.Васильев, А.Г. Кошка, А.Р.Мамайкин, В.Ю.Медяник //Разработка рудных месторождений. – Кривой Рог. – 2004. – Вып. 87. – С.32-34.

2. Васильев В.Е. Анализ условий разработки пластов Западного Донбасса //Науковий вісник НГУ. – Дніпропетровськ. – 2004. – №9.– С. 6-11.

3. Особенности проявлений горного давления в лавах при отработке сближенных угольных пластов в условиях шахт Западного Донбасса / В.И. Бузило, В.Е. Васильев, В.П. Расстрига, А.А. Долгий //Науковий вісник НГУ. – Дніпропетровськ. – 2004. – №11. – С. 24-28.

4. Новикова Л.В., Заславская Л.И., Васильев В.Е. Определение смещений в окрестности очистных забоев на сближенных пластах в условиях надработки //Сб. науч. тр. НГУ. – Дніпропетровськ: РИК НГУ. – 2004. – №20. – С. 37-43.

5. Новикова Л.В., Заславская Л.И., Васильев В.Е. Определение рационального местоположения подготовительных выработок на сближенных пластах // Науковий вісник НГУ. – Дніпропетровськ.– 2005.– №3.– С. 22-25

6. Васильев В.Е. Влияние очистных работ на состояние горнах выработок в слабых породах Западного Донбасса //Сб. научн. тр. НГУ №17,– Днепропетровск: РИК НГУ. – 2003.– том 1.С. 151-154.

7. Новикова Л.В., Заславская Л.И., Васильев В.Е. Напряженно-деформированное состояние породной толщи при отработке сближенных угольных пластов // Матер. Украинско-Польского форума горняков – 2004., г. Ялта.– Днепропетровск: НГУ. – 2004. – С. 80-85.

8. Новикова Л.В., Заславская Л.И., Васильев В.Е. Определение допустимой мощности междупластья при отработке сближенных пластов //Тр. междунар. конф. “Метан угольных месторождений Украины”. – Ин-т геотехнической механики НАН Украины. –Днепропетровск. – 2005. – Вып. 53. – С. 105-110.

Особистий внесок автора в роботи, опубліковані в співавторстві, полягає в наступному: [1, 3] - розробка методики проведення дослідження, участь у проведенні досліджень, обробка отриманих результатів; [4] - аналіз результатів чисельних експериментів з визначення зсувів поблизу очисних вибоїв; [5] - постановка задач дослідження, визначення максимальних зближень підошви та покрівлі й максимальні еквівалентні напруження в небезпечному перерізі; [7] - розробка розрахункового алгоритму для визначення напружено-деформованого стану шаруватого неоднорідного масиву навколо очисних вибоїв на зближених пластах; [8] - постановка задачі, аналіз напружено –деформованого стану структурно-неоднорідного масиву в умовах випереджувальної надробки.

АНОТАЦІЯ

Васильєв В.Є. “Обґрунтування граничних параметрів концентрації гірничих робіт при відпрацюванні зближених вугільних пластів Західного Донбасу”. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.02 - “Підземна розробка родовищ корисних копалин”. Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2006.

На основі методу граничних елементів зроблена оцінка впливу одночасного відпрацювання двох зближених вугільних пластів на напружено-деформований стан гірського масиву при випереджувальній надробці.

Результати розрахунків за розробленим алгоритмом узагальнені та наведень у вигляді співвідношень, що характеризують закономірності проявів гірського тиску при вийманні зближених пластів у розглянутих гірничо-геологічних умовах.

Визначені раціональні границі концентрації гірничих робіт, що забезпечують безпечне й економічно доцільне ведення очисних і підготовчих робіт на зближених пластах.

Для оцінки вірогідності результатів теоретичних досліджень проведені шахтні досліджування проявів гірського тиску в очисних і підготовчих виробках у процесі відробки зближених вугільних пластів.

Перевірка збіжності результатів теоретичних розрахунків з фактичними значеннями досліджуваних параметрів показали, що їх розбіжності не перевищують 20%. Таким чином, результати даної роботи можуть бути використані при обґрунтуванні границь концентрації гірничих робіт на зближених пластах.

Для гірничо-геологічних умов шахт Західного Донбасу сформульовані рекомендації з планування гірничих робіт і відпрацювання зближених вугільних пластів.

Фактичний економічний ефект, обумовлений зменшенням витрат на підтримку і повторне використання 115-го бортового штреку 117-“біс” лави, при його закладенні у 25 м від кромки пласта с61, склав 808860 грн.

Ключові слова: зближені пласти, концентрація гірничих робіт, гірничі виробки, напружено-деформований стан, гірський тиск.

АННОТАЦИЯ

Васильев В.Е. “Обоснование граничных параметров концентрации горных работ при отработке сближенных угольных пластов Западного Донбасса”. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.02 – “Подземная разработка месторождений полезных ископаемых”. Национальный горный университет, Днепропетровск, 2006.

На основе метода граничных элементов произведена оценка влияния одновременной отработки двух сближенных угольных пластов на напряженно-деформированного состояния горного массива при опережающей надработке.

Результаты расчетов по разработанному алгоритму обобщены и представлены в виде соотношений, характеризующих закономерности проявлений горного давления при выемке сближенных пластов в рассматриваемых горно-геологических условиях.

На основе анализа влияющих горно-геологических, горнотехнических факторов и результатов моделирования определены рациональные границы концентрации горных работ, обеспечивающие безопасное и экономически целесообразное ведение очистных и подготовительных работ на сближенных пластах.

Для оценки достоверности результатов теоретических исследований проведены шахтные исследования проявлений горного давления в очистных и подготовительных выработках в процессе отработки сближенных угольных пластов. По их результатам сделан вывод о том, что концентрация горных работ на сближенных пластах возможна и целесообразна в определенных пределах. Границы такой концентрации должны быть обоснованы с точки зрения безопасности по фактору горного давления и экономическим затратам на проведение, ремонт и перекрепление выработок.

Проверка сходимости результатов теоретических расчетов с фактическими значениями исследуемых параметров показали, что их расхождения не превышают 20%. Таким образом, результаты данной работы могут быть использованы при обосновании границ концентрации горных работ на сближенных пластах.

Для горно-геологических условий шахт Западного Донбасса сформулированы рекомендации по планированию горных работ и отработки сближенных угольных пластов.

Данные рекомендации учтены при планировании и проведении горных работ на шахте “Степная” ОАО “Павлоградуголь”.

Фактический экономический эффект, обусловленный уменьшением затрат на поддержание и повторное использование 115-го бортового штрека 117-“бис” лавы, при его заложении в 25 м от кромки пласта с61 составил 808860 грн.

Ключевые слова: сближенные пласты, концентрация горных работ, горные выработки, напряженно-деформированное состояние, горное давление.

АnnОТАtion

Vasilyev V.E. “Substantion of boundary parameters of concentrating mining operations under developing adjacent coal seams in Western Donbass”. – Manuscript.

Dissertation on scientific degree of candidate of technical science on speciality 05.15.02 – “Underground mining operations of mineral deposits”. National Mining University, Dnipropetrovsk, 2006.

On the basis of the method of boundary elements and the model of linear hereditary environment using P.P. Balandin’s criterion calculating algorythm of determining stress and strain condition of stratified inhomogeneous rock massif concerning simultaneous extraction of two adjacent coal seams under advanced overworking has been developed.

The results of calculation concerning developed algorythm are generalized and represented as relationship characterizing regularities of rock pressure under extraction of adjacent seams in considered mining and geological conditions, that is:

· the character of maximum closeness of floor and roof of extracted coal seam in conditions of overworking in dependence on module of elasticity of enclosing rock and distance between stoping faces on adjacent seams has been established;

· quantitative estimation of degree of influence of seam space thickness and distance between stoping faces of adjacent seams on vertical roof displacement of coal seam under conditions of overworking has been carried out;

· correlative relationship for maximum roof displacement of top and botton seams has been obtained.

The relationships take into account modules of elasticity of enclosing rock and coal, depth of development, seam and seam space thickness and the distance between stoping faces on adjacent seams.

Mine investigations of parameters of rock pressure in stoping and development workings in the process of overworking adjacent coal seams have been carried out.

The difference between results of calculation and real values of investigated parameters is not more than 20%.

The real economic effect due to cost reduction of support and repeated using of 115th side drift of 117th “bis” of longwall face when it is located on the distance of 25 m from edge part of seam c61 in 808860 hrn.

Key words: adjacent seams, overworking, working, stress and strain condition, rock pressure.

Васильєв Віталій Євгенович

Обгрунтування граничних параметрів концентрації гірничих