НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ ГІРНИЧИХ ПРОЦЕСІВ

КОЛЬЧИК Євген Іванович

УДК 622.268.12:622.833

ГЕОМЕХАНІЧНЕ ОБГРУНТУВАННЯ СТІЙКОСТІ ВИЇМКОВИХ ВИРОБОК ПРИ ІНТЕНСИВНІЙ ВІДРОБЦІ

ВУГІЛЬНИХ ПЛАСТІВ

Спеціальність 05.15.02 – „Підземна розробка родовищ корисних копалин”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Донецьк – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики гірничих процесів Національної академії наук України (м. Донецьк).

Науковий консультант :

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Ревва Володимир Миколайович, Інститут фізики гірничих процесів НАН України (м. Донецьк), провідний науковий співробітник відділу управління станом гірничого масиву.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Софійський Костянтин Костянтинович, Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України (м. Дніпропетровськ), завідувач відділу проблем технології підземної розробки вугільних родовищ.

доктор технічних наук, професор Кузьменко Олександр Михайлович,

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

доктор технічних наук, професор Назимко Віктор Вікторович, Донецький національний технічний університет Міністерства освіти та науки України (м. Донецьк), завідувач лабораторією комп’ютерного та фізичного моделювання незворотних процесів.

Захист відбудеться “ 25 ” 12 2007 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.11.184.02 при Інституті фізики гірничих процесів НАН України за адресою: 83114, м. Донецьк, вул. Р. Люксембург, 72.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики гірничих процесів НАН України за адресою: 83114, г. Донецьк, вул. Р. Люксембург, 72, к.402.

Автореферат розісланий “ 23 ” 11 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, д.т.н, с.н.с. В.Г. Синков

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Виробнича потужність вугільних шахт суттєво залежить від стану гірничих виробок. Під впливом гірничого тиску відбувається зміщення порід у виробках. При цьому зменшується площа їх поперечного перерізу, що призводить до зменшення зазорів між рухомим складом та кріпленням та до збільшення депресії. Причому у деяких випадках зміщення гірничих порід призводить до неможливості експлуатування виробки. В особливо складних умовах знаходяться ділянки виїмкових виробок, які у період експлуатації потрапляють в зону впливу тимчасового опорного тиску та інтенсивного зміщення порід. Для забезпечення великого навантаження на очисні вибої в умовах розробки газоносних вугільних пластів необхідно застосовувати комбіновані системи розробки, які передбачають прямоточне провітрювання та видачу вихідного струменю на флангову вентиляційну виробку або вентиляційний магістральний штрек (при відробці виїмкових полів лавами за підняттям або за падінням). В цьому випадку виїмкові виробки треба підтримувати позаду очисного вибою на контакті з виробленим простором або безпосередньо у виробленому просторі, що значно знижує їх стійкість. Найбільш складно підтримувати виїмкові виробки в зоні інтенсивного зміщення порід, де виникає обвалювання порід основної покрівлі. Крім цього на стійкість виробок суттєво впливає швидкість посування очисних вибоїв, що необхідна для забезпечення обсягів видобутку вугілля.

В покрівлі деяких шахтопластів залягають потужні та міцні породні шари, які впливають на формування зони тимчасового опорного тиску. Також, на більшості шахтопластів виїмкові поля перетинаються значною кількістю малоамплітудних диз’юнктивних порушень, що значно ускладнює умови проведення та підтримання гірничих виробок.

Незважаючи на великий строк розробки вугільних родовищ підземним способом, досвіду підтримання виробок при інтенсивній відробці вугільних пластів в умовах малоамплітудної порушеності до нашого часу дуже мало. В зв’язку з цим забезпечення стійкості виїмкових виробок при інтенсивній відробці вугільних пластів в умовах малоамплітудної диз’юнктивної порушеності та наявності в покрівлі пласта, що розробляється, потужних та міцних породних шарів є важливою та актуальною науково-технічною проблемою.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Геомеханічне обґрунтування стійкості виїмкових виробок при інтенсивній відробці вугільних пластів є одним з наукових напрямків Інституту фізики гірничих процесів НАН України. Дисертаційна робота є частиною досліджень за темами: “Вид напруженого стану вугілля та фазовий стан метану в ньому при руйнуванні” (№ ДР 0102 U 003845); „Граничний стан вугілля та фазовий стан метану в ньому при нерівнокомпонентному стисканні” (№ ДР 0197 U 008905); „Встановлення закономірностей зміни фізико-механічного стану гірничого масиву при підземній розробці вугільних пластів” (№ ДР 0107 U 002130); „Дослідити формування розвантаженої зони біля підготовчих виробок та розробити рекомендації підвищення стійкості виробок, що повторно використовуються на викидонебезпечному пласті d4” (№ 1353); „Розробка параметрів планування та відробки запасів, що залишилися при великих швидкостях посування лав в умовах шахти „Красноармійська-Західна № 1” (№ 1660), де автор був виконавцем, відповідальним виконавцем та науковим керівником.

Мета роботи - геомеханічне обґрунтування стійкості виїмкових виробок при інтенсивній відробці вугільних пластів за рахунок використання взаємовпливу потужних породних шарів покрівлі, малоамплітудної диз’юнктивної порушеності та великих швидкостей посування лав на напружено-деформований стан гірничого масиву, що безпосередньо зв’язано зі зниженням витрат на охорону та підтримання гірничих виробок.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані наступні завдання:

1. Встановити закономірності впливу потужних породних шарів покрівлі та великих швидкостей посування лав на формування зони впливу очисних робіт;

2. Встановити закономірності впливу малоамплітудної диз’юнктивної порушеності на зміщення порід у виїмкових виробках;

3. Встановити закономірності сумісного впливу потужних породних шарів покрівлі та малоамплітудної диз’юнктивної порушеності на зміщення порід у виїмкових виробках при великих швидкостях посування очисних вибоїв;

4. Розробити технологію і спосіб зниження взаємного впливу потужних породних шарів покрівлі, малоамплітудної диз’юнктивної порушеності та великих швидкостей посування лав на стійкість виїмкових виробок;

5. Виконати промислову перевірку способу зниження взаємного впливу потужних породних шарів покрівлі, малоамплітудної диз’юнктивної порушеності та великих швидкостей посування очисних вибоїв на стійкість виїмкових виробок;

6. Визначити ефективність технології підвищення стійкості виїмкових виробок.

Ідея роботи полягає у використанні закономірностей зміни напружено-деформованого стану гірничого масиву, який вміщує виробку, з урахуванням процесів взаємного впливу малоамплітудної диз’юнктивної порушеності, наявності потужних породних шарів у покрівлі пласта та великих швидкостей посування очисних вибоїв.

Об’єкт досліджень - процеси зміни напружено-деформованого стану гірничого масиву, який вміщує виїмкові виробки.

Предмет досліджень - закономірності зміни напружено-деформованого стану гірничого масиву, який вміщує виїмкові виробки.

Методи досліджень. Для досягнення поставленої у дисертаційній роботі мети послідовно використовувались наступні методи досліджень:

- аналіз та узагальнення результатів раніше виконаних досліджень та досвіду підтримання виїмкових виробок у складних гірничо-геологічних умовах;

- теоретичні дослідження перерозподілу напружень біля виїмкових виробок при різних умовах їх підтримання;

- математичне моделювання процесів перерозподілу напружень в гірничому масиві, який вміщує виробку, при наявності потужних породних шарів у покрівлі пласта та малоамплітудної диз’юнктивної порушеності;

- моніторинг розмірів розвантаженої зони та зони непружних деформацій шляхом вимірів у свердловинах зміщень та деформацій порід та вимірів виходу штибу при бурінні шпурів;

- шахтні інструментальні виміри зміни напружено-деформованого стану гірничого масиву, який вміщує гірничу виробку;

- шахтні інструментальні виміри зміщень та конвергенції гірничих порід у виїмкових виробках при різних умовах їх експлуатації;

- натурні спостереження за зміщенням підробленої земної поверхні.

Наукові положення, які захищаються у дисертаційній роботі:

1. За наявності в покрівлі вугільного пласта, що розробляється, потужних породних шарів максимальна швидкість зміни напружень у приконтурній частині гірничого масиву змінюється в межах 0,07 – ,60 МПа/годину, а зі зміною швидкості посування очисного вибою з 1,07 до 8,1 м/добу напруження збільшуються у зоні тимчасового опорного тиску зі швидкістю 0,03 – 0,25 МПа/годину, що призводить до збільшення конвергенції порід у 1,4 – 1,8 рази;

2. Протяжність зони тимчасового опорного тиску та зони інтенсивного зміщення порід залежить прямопропорційно від швидкості посування очисного вибою, відстані між диз’юнктивними порушеннями та від довжини породної консолі, що зависає і яка залежить від швидкості посування лави та комплексу гірничо-геологічних факторів;

3. За наявності у покрівлі пласта, що розробляється, потужних та міцних породних шарів попереду зони тимчасового опорного тиску створюється розвантажена зона, в межах якої прямопропорційно її протяжності, відбувається збільшення висоти виробки, зміщення боків виробки зупиняються, а її протяжність прямопропорційно залежить від протяжності зони тимчасового опорного тиску;

4. Протяжність зони впливу малоамплітудного диз’юнктивного порушення залежить прямопропорційно від амплітуди зміщення пласта, та зворотно пропорційно від кута, під яким порушення перетинає виробку;

5. Зміщення порід у виїмкових виробках зменшуються у 1,7 – 2,4 рази за рахунок зниження негативного впливу малоамплітудних диз’юнктивних порушень шляхом створення уздовж периметра виробки, у місці перетину нею порушення, зміцнених смуг, які поділяють масив, що містить виробку, на клини.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше встановлені закономірності зміни довжини консолі потужних породних шарів, що зависає, від взаємовпливу швидкості посування лави, комплексу гірничо-геологічних факторів та відстані між малоамплітудними диз’юнктивними порушеннями;

2. Вперше встановлені закономірності зміни довжини зони тимчасового опорного тиску, зони інтенсивного зміщення порід та розвантаженої зони попереду зони опорного тиску від швидкості посування очисного вибою та комплексу гірничо-геологічних факторів при наявності малоамплітудної диз’юнктивної порушеності та потужних породних шарів у покрівлі пласта, що розробляється;

3. Уточнені закономірності зміни довжини зони непружних деформацій біля гірничих виробок від співвідношення між міцністю порід на одновісне стискання та величиною напружень на відповідній глибині у недоторканому гірничому масиві;

4. Встановлені закономірності впливу амплітуди зміщення пласта та кута, під яким виробка перетинає малоамплітудне диз’юнктивне порушення, на протяжність зони впливу цього порушення у підошві, покрівлі та боках виробки;

5. Уточнені закономірності зміни зміщень порід у виїмкових виробках від протяжності зони непружних деформацій та міцності порід на одновісне стискання, віднесеній до напружень у недоторканому масиві на відповідній глибині;

6. Встановлені закономірності зміни величини зміщень порід у виїмкових виробках від швидкості посування очисного вибою та відстані до нього;

7. Доведено, що при підході очисного вибою до малоамплітудного диз’юнктивного порушення, у зоні впливу останнього, напруження зменшуються до величини меншої за геостатичні напруження;

8. Розроблений спосіб підвищення стійкості виїмкових виробок, який ґрунтується на управлінні напруженим станом у зоні впливу малоамплітудного диз’юнктивного порушення шляхом створення у зруйнованих породах зміцнених зон, які поділяють на клини масив, який вміщує виробку.

Обґрунтованість та достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджується:

- достатньою кількістю експериментальних досліджень зміни деформацій порід у гірничому масиві, який вміщує виробку, зміщень порід у виїмкових виробках, зміщень земної поверхні, яка підробляється;

- достатньою збіжністю між експериментальними та розрахунковими даними (розбіжність не перевищує 20 %);

- високою тіснотою зв’язку між факторами, які досліджувались (коефіцієнт кореляції та кореляційне відношення знаходяться у межах 0,78 – 0,87);

Наукове значення роботи полягає у розкритті особливостей взаємовпливу потужних породних шарів покрівлі, малоамплітудної диз’юнктивної порушеності та великих швидкостей посування лав на формування зони непружних деформацій, яка визначає величину зміщень порід, та розвиток концепції зниження цього впливу для забезпечення стійкості виїмкових виробок.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що використання запропонованого способу та технології керування напруженим станом у зоні впливу малоамплітудного диз’юнктивного порушення шляхом створення у зруйнованих породах зміцнених зон дозволяє зменшити величину зміщень порід, витрати на охорону та підтримання виїмкових виробок і собівартість видобуваємого вугілля.

Впровадження результатів роботи. За результатами роботи розроблений тимчасовий технологічний регламент, який використовується на шахтах України, що розробляють пологі та похилі пласти. Розроблена технологія забезпечення стійкості виїмкових виробок при інтенсивній відробці вугільних пластів в умовах малоамплітудної диз’юнктивної порушеності. Впровадження розробленої технології дозволяє отримати економічний ефект від 20 до 95 тис.грн/рік при підтриманні виробки в зоні впливу одного малоамплітудного порушення.

Особистий внесок здобувача полягає у визначені мети, ідеї та формулюванні завдань досліджень та наукових положень, виборі методів досліджень, проведенні моделювання, шахтних та теоретичних досліджень. Під керівництвом та при безпосередній участі здобувача розроблені технологічний регламент, технологічні схеми та рекомендації з забезпечення стійкості виїмкових виробок.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи обговорювались на наукових конференціях: КФ ДонДТУ, Красноармійськ – 1996 Регіональна науково-практична конференція „Наука-жизнь-производство”; КФ ДонНТУ, Красноармійськ – 2001 Науково-практична конференція „Наука-жизнь-производство”; ДонДТУ, Севастополь – 2002 Международная научно-техническая конференция „Геотехнологии на рубеже ХХI века”; ДНГУ, Дніпропетровськ – 2002 Міжнародна науково-технічна конференція „Проблемы механики горно-металлургического комплекса”; МакНДІ, Макіївка – 2005 Науково-практична конференція „Пути повышения безопасности горнах работ в угольной отрасли”; ДонНТУ, Донецьк – 2006 Міжнародна науково-практична конференція “Геотехнологии и управление производством ХХI века”; КІІ ДонНТУ, Красноармійськ – 2007 „Регіональна науково-практична конференція „Геотехнологии и охрана труда в горной промышленности”, на семінарах Інституту фізики гірничих процесів НАН України у 2002 – 2007 р.р.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 40 наукових робіт, з яких 29 у фахових виданнях затверджених ВАК України.

Обсяг та структура роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п’яти розділів, висновків, переліку використаних літературних джерел з 241 найменування та трьох додатків. Робота містить 306 сторінок машинописного тексту, 92 рисунки, 29 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

При підземній розробці вугільних пластів питання забезпечення стійкості виїмкових виробок до нашого часу є дуже важливим. Проблемою забезпечення стійкості гірничих виробок займалось та займається велика кількість вчених. Великий внесок у вивчення питань напружено-деформованого стану гірничого масиву, який вміщує виробку, та розвиток науки про управління станом гірничого масиву та забезпечення стійкості виробок внесли вчені інститутів: ВНДМІ; ДНГУ; ДонНТУ; ДГМІ; ІГД ім. О.О. Сочинського; ІГТМ НАН України ім. М.С. Полякова; ІПКОН; ІФГП НАН України; КНДВІ; УкрНДМІ НАН України та інших.

За час підземної відробки вугільних пластів розроблена велика кількість способів охорони та підтримання гірничих виробок. Вугільні пласти Донбасу мають дуже різноманітні гірничо-геологічні умови. Тому у кожному конкретному випадку, в залежності від умов підтримання виробок, треба для забезпечення стійкості виробок вирішувати питання вибору найбільш доцільного варіанта охорони та підтримання.

Зі збільшенням глибини розробки зростає газоносність вугільних пластів, що значно ускладнює їх розробку. Для забезпечення великого навантаження на очисний вибій при розробці газоносних вугільних пластів необхідно використовувати комбіновані системи розробки, які передбачають видачу відпрацьованого повітря на вироблений простір. Використання цих систем розробки потребує підтримання виїмкових виробок позаду очисного вибою на контакті з виробленим простором.

При охороні виїмкових виробок на контакті з виробленим простором на пластах потужністю до 1,5 м, в основному, використовуються наступні споруди: бутова та лита смуги; смуги з тюбінгів та залізобетонних блоків; костри та бутокостри. На пластах потужністю більшою за 1,5 м застосовуються смуги литі та з тюбінгів або з залізобетонних блоків.

В зоні тимчасового опорного тиску та в зоні інтенсивного зміщення порід для зменшення зміщень порід встановлюється посилююче кріплення. Однак ці заходи не завжди забезпечують стійкість виїмкових виробок. Крім цього є умови, коли в покрівлі пласта, що розробляється, залягають потужні породні шари, а виїмкові поля містять значну кількість малоамплітудних диз’юнктивних порушень. Досвіду підтримання виїмкових виробок у таких умовах та при швидкості посування очисного вибою до 9 м/добу дуже мало. Тому забезпечення стійкості виїмкових виробок в умовах малоамплітудної диз’юнктивної порушеності при великих швидкостях посування очисних вибоїв є важливою та актуальною науково-технічною проблемою.

Перший розділ роботи присвячений аналізу впливу гірничо-геологічних умов підтримання виробок на їх стійкість, досвіду підтримання виробок у складних гірничо-геологічних умовах, аналізу напружено-деформованого стану гірничого масиву поблизу гірничих виробок та впливу геологічних порушень на стійкість виробок.

Гірничо-геологічні умови залягання пологих та похилих пластів у Донбасі дуже різноманітні. Від 49,6 до 92,6 % шахтопластів мають нестійку безпосередню покрівлю та від 25,4 до 63,0 % - нестійку безпосередню підошву. Частка шахтопластів з важкообвалюваними породами покрівлі у Донецько-Макіївському вугленосному районі становить 23 %, а у Красноармійському – 20%. Більше 11 % шахтопластів мають водоприплив, що перевищує 150 м3/годину. Вологість впливає на стійкість виробок, оскільки її збільшення призводить до зниження міцності порід на 20-25%.

Дослідженнями, виконаними спеціалістами багатьох інститутів та досвідом підтримання виробок у складних гірничо-геологічних умовах встановлено, що найбільші зміщення порід виникають у зоні інтенсивного зміщення та у зоні тимчасового опорного тиску.

Практично всі шахтопласти містять дизюнктивні порушення, в зоні впливу яких відмічається знижена міцність порід на розрив у 2,8 – 3,1 рази, на зсув – у 3,5 – 5,1 рази та на стискання – у 3,3 – 4,9 рази. Це призводить до збільшення витрат на проведення та підтримання гірничих виробок у зоні впливу порушення.

Малоамплітудні диз’юнктивні порушення чинять суттєвий вплив на перерозподіл напружень у гірничому масиві, який вміщує гірничу виробку. У зоні впливу порушень питомі витрати на проведення та підтримання виробок збільшуються у 1,05 – 2,2 рази. Причому зростання цих витрат тим більше, чим менше кут перетину виробкою геологічного порушення.

Розроблено багато методів рішення питань пов’язаних з напружено-деформованим станом гірничого масиву. Однак до теперішнього часу жоден з них не дає точного описання стану гірничого масиву при проведені та підтриманні виробок у зонах впливу малоамплітудної диз’юнктивної порушеності. На стійкість виробок у зоні впливу очисних робіт (зона тимчасового опорного тиску, зона інтенсивних зміщень порід) суттєвий вплив чинить швидкість посування лави, особливо при наявності потужних пісковиків у покрівлі пласта. Тому для підвищення стійкості гірничих виробок при великих швидкостях відробки виїмкових полів з малоамплітудною диз’юнктивною порушеністю необхідна розробка способів охорони, які враховують вплив швидкості посування очисного вибою, наявність геологічних порушень та потужності породних шарів, що залягають в покрівлі вугільного пласта, що розробляється.

Виходячи з наведеного сформульована мета роботи, визначені задачі та методи досліджень.

У другому розділі викладено методики виконання досліджень.

Дослідження напружено-деформованого стану гірничого масиву, що вміщує гірничу виробку, яка знаходиться в масиві до зони тимчасового опорного тиску, у зоні тимчасового опорного тиску та позаду лави на контакті з виробленим простором при охороні виробки однією та двома литими смугами виконувалось з використанням методики математичного моделювання. При визначенні параметрів розвитку розвантаженої зони у різних умовах підтримання виїмкових виробок використовувалась методика визначення параметрів розвантаженої зони за виходом штибу та динамікою газовиділення в шпур. Визначення параметрів розвитку розвантаженої зони та зони непружних деформацій у гірничому масиві, який вміщує виїмкову виробку, виконувалось за методикою визначення параметрів розвантаженої зони з деформування гірничого масиву, який вміщує виробку.

Встановлення величини зменшення поперечних розмірів виробок при різних умовах їх підтримання використовувалась методика визначення конвергенції порід у гірничих виробках. Визначення абсолютних зміщень порід покрівлі, підошви та боків виробки виконувалось за методикою визначення абсолютних зміщень порід у гірничих виробках. При визначенні величини зміщень гірничих порід в залежності від параметрів ведення робіт та гірничо-геологічних умов підтримання виробки використовувалась методика прогнозування зміщень порід у гірничих виробках. За методикою визначення зміщень земної поверхні встановлювався вплив підробки гірничого масиву очисними вибоями з великою швидкістю їх посування на зміщення земної поверхні.

Третій розділ присвячений дослідженням напружено-деформованого стану гірничого масиву в зоні впливу малоамплітудної диз’юнктивної порушеності.

Поблизу більшості малоамплітудних диз’юнктивних порушень знаходяться зони зруйнованих гірничих порід, які можна розглядати як сипке середовище. В таких умовах при проведенні та підтриманні виробок виникають великі зміщення та вивали порід. Зменшення зміщень порід у зонах впливу диз’юнктивних порушень досягається тим, що навколо контуру виробки здійснюється зміцнення зруйнованих порід. При цьому створюється навколо виробки зміцнене коло. Для зниження діючих у сипкому середовищі напружень створюються зміцнені смуги (рис. 1), які поділяють гірничий масив на клини. У межах клину, за рахунок відпору порід, величина граничної рівноваги порід у центральній частині клину дорівнюватиме

фn = K1 + уntgс1 = K1 + [N + N Cosб Сos(90 – б)] tgс1, МПа, (1)

де K1 – ефективний коефіцієнт зчеплення;

уn – величина нормальних напружень, МПа;

с1 – кут внутрішнього тертя, градус;

N – вертикальна складова тензору напружень на даній глибині

N = гН, МПа;

г – об’ємна щільність порід, кг/см3;

Н – глибина розташування виробки, см;

С – відстань між точками М – Р та Т – К (рис. 2), м;

Lc – довжина зміцненої смуги, м;

б – кут відхилення зміцненої смуги від вісі клину, градус.

Рис. 1. Схема розташування зміцнених смуг: 1 – виробка;

2 – порушені породи у зоні геологічного порушення; 3 – смуги зміцнених порід; 4 – зміцнене коло.

При цьому на зміцнене коло та кріплення виробки будуть діяти лише напруження, які виникають від ваги порід, розташованих в межах ДОЕ (див. рис. 2, б).

В області ЕМР рівновага системи буде при виконанні умови

Nд ? K1 + N [1 + Сos(90 – б)] tgс1+ R2, МПа, (2)

де Nд – величина діючих напружень в області ЕМР, МПа;

R2 – величина напружень відпору порід в області ЕМР, МПа.

Рис. 2. Схема розрахунку напружень в межах заклинених порід  а) та схема визначення навантаження на кріплення (б):

1 – виробка; 2 – зруйновані породи; 3 – зміцнена смуга.

При б ? 270 величина напружень відпору порід визначається за формулою

R2 = 1,41Cos (90 – б), МПа, (3)

При б > 270 величина напружень відпору порід становить

R2 = N Сos2(90 – б), МПа, (4)

Величина діючих в області ЕМР напружень визначається за формулою

Nд = N (Сosб + л Sinб), МПа, (5)

де л – коефіцієнт бокового розпору порід. Для сипкого середовища він становить л = 0,2.

В результаті виконаних розрахунків встановлено, що уздовж вісі клину зруйновані породи набувають стійкості при куті відхилення зміцненої смуги від вісі клину б = 20 – 590 (рис. 3, а), а на контакті зі зміцненою смугою – при б ? 360 (рис. 3,б). Максимальний відпір порід діючим напруженням досягається при куті б = 540.

Встановлено залежності, які дозволяють описати зміни напружено-деформованого стану гірничого масиву в зоні впливу малоамплітудного диз’юнктивного порушення при розподіленні масиву на клини. Доведено, що величина зміщень порід у гірничих виробках, які знаходяться в зоні впливу порушення, залежить від амплітуди зміщення пласта та кута, під яким зміщувач перетинає виробку. В зоні впливу порушень зміщення порід збільшуються в 1,1 – 2,3 рази, а в зоні впливу очисних робіт у порушеній зоні збільшується в 1,5 – 2,3 та 1,7 – 2,9 рази відповідно у зоні тимчасового опорного тиску та зоні інтенсивного зміщення порід.

Встановлено, що зменшення міцності порід, які вміщують виробку, у 2 рази (з 100 до 50 МПа) призводить до збільшення величини зміщень цих порід у 3,7 – 4,0 рази.

Спорудження біля відкатного штреку другої литої смуги призводить до зниження напружень біля нього в 1,05 – 2,4 рази та до зниження величини зміщень порід у 1,4 – 5,3 рази. При цьому найбільше зниження напружень та величини зміщень порід в масиві, який вміщує відкатний штрек, спостерігається при відстані між литими смугами 5,5 м.

На основі математичного моделювання встановлено, що попереду зони тимчасового опорного тиску зявляється розвантажена зона, в якій напруження знижуються до 0,9гН, а зміщення порід зменшуються у 1,16 – 1,2 рази.

Рис. 3. Залежність зміни напружень у середній частині клину (а) та на контакті зі зміцненою смугою (б) від кута відхилу зміцненої смуги: 1 – діючі на зсув напруження; 2 – сумарна величина граничної рівноваги та напружень відпору порід; 3 – величина граничної рівноваги; 4 – величина напружень відпору порід.

Наявність у виїмковому полі малоамплітудних дизюнктивних порушень призводить до зниження величини концентрації напружень в зоні тимчасового опорного тиску. Максимальна величина напружень в зоні опорного тиску зявляється при відстані між лавою та порушенням більшою за 350 м.

В четвертому розділі наведені шахтні дослідження за зміщеннями порід у виїмкових виробках при різних умовах їх підтримання.

Встановлено, що при наявності в покрівлі вугільного пласта потужних пісковиків швидкість конвергенції порід у виїмкових виробках поза зоною впливу очисних робіт постійна та не залежить від швидкості посування лави. Так, в масиві конвергенція порід покрівлі з підошвою дорівнює Vм = 0,2 см/добу, а у присічних виробках – Vпр = 0,12 см/добу. У зоні сталого гірничого тиску швидкість конвергенції порід покрівлі з підошвою не перевищує Vу.г.д.0,15 см/добу (де Vм, Vпр, Vу.г.д. – швидкість конвергенції порід покрівлі з підошвою в масиві, в присічній виробці, в зоні сталого гірничого тиску відповідно, см/добу).

В зоні тимчасового опорного тиску у виробках, які підтримуються в масиві, швидкість конвергенції порід покрівлі з підошвою дорівнює

, см/добу, (6)

де - швидкість конвергенції порід у зоні тимчасового опорного тиску, см/добу;

- швидкість посування лави, м/добу;

- відстань до лави в межах зони тимчасового опорного тиску, м.

У присічних виробках швидкість конвергенції порід в зоні тимчасового опорного тиску визначається за формулою

, см/добу, (7)

де - швидкість конвергенції порід у присічних виробках, см/добу.

В зоні інтенсивних зміщень порід швидкість конвергенції порід покрівлі з підошвою визначається за формулою

, см/добу, (8)

де - швидкість конвергенції порід покрівлі з підошвою в зоні інтенсивних зміщень порід, см/добу;

L1 – відстань до лави в межах зони інтенсивних зміщень порід, м.

Швидкість конвергенції боків виробки в зоні тимчасового опорного тиску дорівнює:

- виробка в масиві

, см/добу, (9)

- виробка, проведена вприсічку до виробленого простору

, см/добу, (10)

де ; - швидкість конвергенції боків виробки, яка проведена в масиві та вприсічку до виробленого простору, відповідно, см/добу.

Виконаними дослідженнями встановлено, що при наявності у покрівлі вугільного пласта потужних пісковиків та великій швидкості посування очисного вибою основні зміщення порід виникають у зоні тимчасового опорного тиску та зоні інтенсивних зміщень порід. Довжина цих зон залежить від довжини зависаючої породної консолі. Встановлено, що довжина породної консолі суттєво залежить від швидкості посування лави та комплексу гірничо-геологічних факторів та визначається за формулою

, м, (11)

де у – межа міцності пісковику на одновісне стискання, МПа;

М – товщина пісковику, м;

Vл – швидкість посування лави, м/доб;

kуст – коефіцієнт, який враховує тривалість стійкого стану підробленого масиву, доб/м;

m – товщина пласта, м;

уу – межа міцності вугілля на одновісне стискання, МПа;

Встановлено, що протяжність зони тимчасового опорного тиску, при наявності потужних пісковиків у покрівлі, залежить від швидкості посування лави та комплексу гірничо-геологічних умов розташування виробки. Ця залежність визначається формулою

Lоп = аНуМVлkуст(mуу)-1+ b, м, (12)

де Lоп – протяжність зони тимчасового опорного тиску, м;

а – коефіцієнт, який дорівнює 0,012 та 0,0086 відповідно для виробок, що підтримуються у масиві та проведених вприсічку до виробленого простору;

b – коефіцієнт, який дорівнює 58 та 42 відповідно для виробок у масиві та проведених вприсічку до виробленого простору.

Протяжність зони інтенсивного зміщення порід залежить від швидкості посування очисного вибою та комплексу гірничо-геологічних факторів. Ця залежність визначається формулою

, м, (13)

де Lи – протяжність зони інтенсивного зміщення порід, м.

Встановлено, що на виїмкових дільницях, де є малоамплітудні диз’юнктивні порушення протяжність зони тимчасового опорного тиску залежить ще й від відстані між порушеннями та визначається за формулою

Lопн = Lоп – (8,7 – 0,0174 Lн)(Vл + 1), м, (14)

де Lн – відстань між малоамплітудними диз’юнктивними порушеннями, м;

Lопн – протяжність зони тимчасового опорного тиску при наявності диз’юнктивних порушень у виїмковому полі, м.

Попереду зони тимчасового опорного тиску, при наявності потужних монолітних пісковиків у покрівлі, зявляється розвантажена зона, протяжність якої визначається за формулою

Lраз = Lоп - d, м, (15)

де Lраз – протяжність розвантаженої зони, м;

d – коефіцієнт, який дорівнює 30 та 20 відповідно для виробок у масиві та присічних виробок.

В розвантаженій зоні зміщення порід боків виробки припиняються, а висота виробки збільшується в середньому на 5 та 3 см, відповідно для виробок, що підтримуються в масиві, та присічних виробок.

Повні зміщення порід за час підтримання виробки в зоні інтенсивного зміщення порід та зоні тимчасового опорного тиску залежать від швидкості посування очисного вибою (рис. 4). В зоні впливу очисних робіт збільшується рівень напружень масиву, що призводить до зростання розмірів розвантаженої зони та зони непружних деформацій. Зі зростанням швидкості посування очисного вибою зростають напруження в зоні тимчасового опорного тиску, що також призводить до зростання розмірів розвантаженої зони та зони непружних деформацій. При міцності порід на одновісне стискання більшій за 5,1гН зона непружних деформацій не виникає.

Рис. 4. Залежність зміни повних зміщень порід за час підтримання виробки у зоні тимчасового опорного тиску та зоні інтенсивного зміщення порід від швидкості посування лави: 1; 2; 3; 4 – зміщення порід у зоні тимчасового опорного тиску; 5 – зміщення порід покрівлі та підошви в зоні інтенсивного зміщення порід; 1; 3 – зміщення порід боків виробки відповідно у присічній виробці, та виробці, що підтримується в масиві; 2; 4 – зміщення порід покрівлі та підошви виробки відповідно у присічній виробці, та виробці, що підтримується в масиві.

Протяжність зони непружних деформацій визначається за формулою

, м, (16)

де Lз.н.д. – протяжність зони напружених деформацій, м;

усж – міцність порід на одновісне стискання, МПа;

гH – величина напружень поза зоною впливу очисних робіт на глибині розташування виробки, МПа;

СР – протяжність розвантаженої зони, м.

Протяжність розвантаженої зони суттєво залежить від умов підтримання виїмкових виробок. При підтриманні виробки у масиві, поза зоною впливу очисних робіт, протяжність розвантаженої зони визначається за формулою

, м, (17)

де Cм – протяжність розвантаженої зони при підтриманні виробки у масиві, м;

t – час підтримання виробки, міс.

У зоні тимчасового опорного тиску протяжність розвантаженої зони дорівнює

, м, (18)

де L – відстань від лави у межах зони тимчасового опорного тиску, м.

У зоні інтенсивних зміщень порід можна виділити дві області, де характер зміщень порід відрізняється. Перша зона розташована на відстані до 10 м від лави, а друга – на відстані Lи'' = 10…Lu. У першій області зони інтенсивних зміщень порід протяжність розвантаженої зони визначається за формулою

Lи' + 0,03, м, (19)

де Lи' – відстань до лави в межах 0 – 10 м.

У другій зоні інтенсивних зміщень порід розвантажена зона дорівнює

Lи'' – 1,7, м, (20)

де Lи'' – відстань до лави у межах 10 ? Lи'' ? Lu, м.

На контакті виробки з виробленим простором поза зоною впливу очисних робіт (виробка охороняється литою смугою) протяжність розвантаженої зони визначається за формулою

, м, (21)

де ty – час підтримання виробки поза зоною інтенсивних зміщень порід, міс.

Встановлено, що конвергенція порід покрівлі та підошви у виробках, які підтримуються у масиві за зоною впливу очисного вибою, в зоні впливу порушення на 0,5 – 0,6 м більше, ніж за зоною його впливу. В зоні встановленого гірничого тиску біля малоамплітудного дизюнктивного порушення конвергенція порід на 0,15 – 0,25 м більша, ніж поза нею. Найбільші зміщення порід покрівлі та підошви спостерігаються біля порушення на сполученні з лавою та складають 0,4 – 0,7 м.

Швидкість конвергенції порід покрівлі та підошви в зоні впливу порушення у 1,35 – 1,5 рази більша ніж за зоною його впливу.

Протяжність зони впливу малоамплітудного диз’юнктивного порушення зворотно пропорційно залежить від кута, під яким порушення перетинає виробку та прямопропорційно - від амплітуди зміщення. Вона визначається за формулою

в підошві виробки

, м, (22)

в покрівлі виробки

, м, (23)

у боках виробки

, м, (24)

де Lп; Lкр; Lб – протяжність зони впливу малоамплітудного диз’юнктивного порушення в підошві, у покрівлі та боках виробки відповідно, м;

А – амплітуда зміщення пласта в порушенні, м;

в – кут перетину виробкою зміщувача, градус.

В п’ятому розділі наведені результати промислової перевірки параметрів способу забезпечення стійкості виїмкових виробок на дільницях з малоамлітудною диз’юнктивною порушеністю.

У приконтурній частині масиву максимальна швидкість зміни напружень знаходиться в межах 0,07 – 0,6 МПа/годину при відстані до контуру виробки 0,7 – 0,2 м. При цьому руйнування порід із зростанням протяжності розвантаженої зони протікає при менших діючих напруженнях.

Для запобігання руйнування порід у розвантаженій зоні потрібна швидкість зниження напружень від 1,8 до 15,6 МПа/годину, що значно більша існуючої швидкості.

Для запобігання розвитку розвантаженої зони та зони непружних деформацій у боках виробки необхідно виймати пласт на глибину, яка дорівнює потужності пласта, та встановлювати органне кріплення (опорну смугу). Органне кріплення сприймає гірничий тиск, що зменшує навантаження на пласт та запобігає його руйнуванню. Це забезпечує зменшення зміщень порід у 1,7 рази.

Для охорони виробки на контакті з виробленим простором необхідно споруджувати литу смугу, що чергується з жорсткими опорами. Жорсткі опори виконуються з залізобетонних блоків та піддатливих елементів. Цей спосіб охорони виїмкових виробок на контакті з виробленим простором дозволяє знизити величину зміщень порід у 1,3 – 1,9 рази, що значно підвищує стійкість виробок.

Встановлено, що наявність малоамплітудних дизюнктивних порушень є обмеженням для розвитку зони тимчасового опорного тиску. Причому у зоні впливу порушення, при наближенні до нього очисного вибою, напруження можуть бути меншими за геостатичні (рис. 5). Протяжність зони тимчасового опорного тиску, при наявності геологічних порушень, знаходиться в межах Lопн = Х ... Lоп при Х ? Lоп.

Рис. 5. Залежність зміни напружень в зоні тимчасового тиску від відстані до лави.

При швидкості посування лави від 4 до 6 м/добу та наявності у покрівлі пласта монолітних пісковиків на дільницях, де малоамплітудні диз’юнктивні порушення відсутні, попереду зони тимчасового опорного тиску з’являється розвантажена зона. Над цією зоною земна поверхня підіймається на 8 – 12 см при глибинах розробки Н = 636 – 585 м та потужності пласта, що розробляється m = 1,2 – 1,6 м (рис. 6).

В зоні впливу малоамплітудного дизюнктивного порушення величина зміщень порід збільшується в середньому у 1,5 – 1,8 рази в порівнянні з випадками підтримання виробки за зоною впливу порушення.

Рис. 6. Залежність зміни величини зміщень земної поверхні від відстані до створу 5-тої північної лави блоку № 2.

Створення уздовж периметра виробки у зоні її перетину геологічним порушенням зміцнених смуг та зміцненого кола призводить до зменшення величини зміщень порід у 1,7 – 2,4 рази.

На рис. 7 наведено схеми розташування чотирьох та п’яти зміцнених смуг навколо виробки.

Рис 7. Схеми розташування зміцнених смуг: а – при чотирьох зміцнених смугах; б – при п’яти зміцнених смугах; 1 – вугільний пласт; 2 – гірнича виробка; 3 – зміцнене коло; 4 – зміцнені смуги.

Якщо при створенні зміцненої смуги буде зміцнений вугільний пласт, то це призведе до ускладнення роботи на кінцевій ділянці лави. Тому кількість зміцнених смуг необхідно приймати, виходячи з того, що ці смуги не повинні перетинати вугільний пласт.

Зміцнення зруйнованих порід в області геологічного порушення необхідно виконувати в такій послідовності:

- після виявлення порушення попереду вибою виробки (уздовж її периметру) утворюється зміцнене коло;

- після затвердіння зміцненого кола геологічне порушення перетинається вибоєм виробки, слідом за чим споруджуються зміцнені смуги.

Розроблений тимчасовий технологічний регламент по охороні виїмкових виробок при їх повторному використанні та технологічні схеми підвищення стійкості гірничих виробок у зонах впливу малоамплітудних диз’юнктивних порушень.

Використання наведених технологічних схем дозволить отримати економічний ефект від 20 до 95 тис.грн/рік при наявності одного малоамплітудного диз’юнктивного порушення у виробці, а по шахті - від 700 до 3325 тис.грн/рік.

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідницькою роботою, в якій отримано нове рішення актуальної наукової проблеми - геомеханічне обґрунтування параметрів забезпечення стійкості виїмкових виробок при інтенсивній відробці вугільних пластів за рахунок використання взаємного впливу потужних пісковиків покрівлі, малоамплітудної диз’юнктивної порушеності та великих швидкостей посування лав на напружено-деформаційний стан гірничого масиву, що безпосередньо пов’язано зі зниженням витрат на охорону та підтримання виробок.

На основі результатів лабораторних, теоретичних та шахтних досліджень можна зробити наступні висновки:

1. У Донецькому вугільному басейні практично всі шахтопласти пологого та похилого падіння мають несправжню покрівлю. Від 49,6 до 92,6шахтопластів мають нестійку безпосередню покрівлю та від 25,4 до 63,0 % нестійку безпосередню підошву. Всі шахтопласти обводнені. Причому 11 % шахтопластів мають водоприплив більший за 150 м3/годину;

2. Найбільш небезпечними при підтриманні виїмкових виробок є ділянки, які знаходяться в зоні впливу очисних робіт. На долю поломів кріплення на сполученні штреку з лавою припадає до 20 %, а на ділянках у зоні впливу очисних робіт – 38,9 % від загальної