Національна академія наук України

Інститут геотехнічної механіки

ім. М.С. Полякова

ЛЕВЧЕНКО Геннадій Валентинович

УДК [622.831.232:622.281](013,3)

Розробка способу підвищення стійкості виробок

шляхом формування армованих породобетонних

конструкцій розчинами, що розширюються

Спеціальність 05.15.11 - “Фізичні процеси гірничого виробництва”

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеню

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України (м. Дніпропетровськ).

Науковий керівник

Доктор технічних наук, завідувач відділу Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України (м. Дніпропетровськ) |

Перепелиця Валентин

Григорович

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, завідувач відділу Інституту

геотехнічної механіки ім. М.С.Полякова НАН України

(м. Дніпропетровськ)

кандидат технічних наук, доцент кафедри будівництва і геомеханіки Національного гірничого університету Міністерства освіти та науки України (м. Дніпропетровськ) |

УСАЧЕНКО

Борис

Миронович

СОЛОДЯНКИН

Олександр

Вікторович

Провідна організація: Донецький Національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра гірничої геомеханіки (м. Донецьк)

Захист відбудеться „23” березня 2007 р. о 1330 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.188.01 при інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а, т. (0562) 46-01-51, факс (0562) 46-24-26.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а.

Автореферат розісланий „21” лютого 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор М.С.Четверик

Актуальність роботи

Інтенсивний розвиток гірничовидобувної промисловості Західного Донбасу обумовив перехід гірничих робіт на все більш глибокі горизонти. Відомі та широко застосовувані способи та засоби підтримання гірничих виробок в умовах слабометаморфізованих вуглевміщуючих порід зазначеного регіону ефективні лише на глибині розробки до 300-400 м, але на більших глибинах такі інженерно-технологічні рішення в силу ускладнення гірничо-геологічних умов виявились малоефективними. Як наслідок, об’єм перекріплення магістральних підготовчих виробок на шахтах західного Донбасу виріс до 3000 м на рік з відповідними фінансовими і матеріальними витратами.

В силу цих причин і необхідності посилення вимог безпечного ведення підземних робіт, проблема розробки способів кріплення гірничих виробок в умовах слабометаморфізованих порід Західного Донбасу набуває для гірничодобувної промисловості України все більшої актуальності. Найбільш перспективним залишається напрямок підвищення стійкості виробок за рахунок зміцнення приконтурного породного масиву та залучення його до роботи по протидії гірському тиску.

Досвід експлуатації підготовчих виробок показує, що в умовах слабометаморфізованих вуглевміщуючих порід ефективним методом зміцнення масиву є тампонаж і анкерне кріплення порушених приконтурних порід.

Як відомо, максимальний ефект від зміцнення приконтурного масиву може бути досягнутий при використанні безусадочних тампонажних сумішей і встановленні раціональних параметрів анкерного кріплення та ведення тампонажу порушених приконтурних порід.

Розробка способу зміцнення породного контуру підземних гірничих виробок, що максимально враховує особливості поведінки приконтурних порід, включає два основних напрямки: 1) геомеханічне обґрунтування параметрів несучої армованої породобетонної оболонки, здатної перешкоджати конвергенції контуру виробки; 2) розробка технології реалізації способу, при якій би забезпечувалась стійкість приконтурних порід і, таким чином, зменшувались матеріальні та трудові витрати на підтримання виробок в процесі їх експлуатації.

Аналіз сучасного стану питань за обома вказаними напрямками свідчить про їх недостатню наукову обґрунтованість і практичну виваженість Тому підвищення стійкості виробок шляхом утворення армованих породобетонних конструкцій в слабометаморфізованих породах є актуальною науковою задачею, яка має важливе значення для вугледобувної галузі і потребує свого вирішення.

Зв’язок роботи з науковими програмами та планами досліджень

Дисертаційна робота виконувалася відповідно до Програми „Українське вугілля”, затвердженої постановою Кабінету Міністрів України (№ 1205 від 19 вересня 2001 року) і планів держбюджетної теми № 74 (№ держреєстрації 0102U006162), що виконується у відповідності з Постановою Бюро Відділення механіки НАН України № 1 від 24.01.2002 року.

Мета роботи – розробка способу підвищення стійкості гірничих виробок шляхом утворення армованих вантажонесучих породобетонних конструкцій в умовах вуглевміщуючих порід Західного Донбасу.

Ідея роботи полягає в використанні ефекту самонапруження розширюючих тампонажних розчинів для утворення несучих армованих породобетонних конструкцій в приконтурній зоні для підвищення стійкості магістральних підготовчих виробок.

Здійснення поставленої мети досягається шляхом вирішення наступних основних задач:

- Розробити ефективні самонапружуючі будівельні суміші для тампонажу приконтурних порушених порід і дослідити фізико-механічні властивості тампонажного каменю.

- Обґрунтувати методику та дослідити в умовах шахт Західного Донбасу процеси взаємодії армованих породобетонних конструкцій і базового металевого податливого кріплення.

- Розробити математичну модель і створити узагальнений метод розрахунку параметрів напружено-деформованого стану армованих породобетонних конструкцій.

- Обґрунтувати параметри та розробити технологію зведення армованих породобетонних конструкцій, суттєво поліпшуючих роботу базового кріплення в процесі експлуатації підземних гірничих виробок.

Об’єкт досліджень –підготовчі виробки, пройдені у слабометаморфізованих породах.

Предмет досліджень – закономірності взаємодії системи „кріплення – зміцнений породний масив” при застосуванні анкерного кріплення та тампонажу приконтурних порід самонапружуючим тампонажним розчином.

Методи досліджень. При виконанні роботи використано комплексний метод досліджень, який включає проведення лабораторних і шахтних експериментів, чисельно-аналітичне моделювання в рамках механіки деформованого твердого тіла, метод безпосередніх тривалих вимірів силових і деформаційних параметрів на контурі гірничих виробок для вивчення взаємодії базового кріплення та охоронної конструкції в процесі експлуатації виробки, методи математичної статистики при обробці отриманих експериментальних даних. При проведенні лабораторних і натурних досліджень використовувались стандартні методи та апаратура.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій, викладених у дисертації, підтверджується: статистично значимим обсягом лабораторних і шахтних експериментальних досліджень процесу зміцнення при контурних порід і стійкості виробок, коректним використанням фундаментальних положень механіки твердого деформованого тіла і механіки гірських порід, позитивними результатами впровадження розроблених рекомендацій. Достовірність одержаних результатів підтверджується задовільною збіжністю теоретичних і експериментальних даних (розбіжність не перевищує 20 %, показники знаходяться в межах довірчої вірогідності відхилення), їх відтворюваність забезпечується використанням стандартних приладів, типової апаратури і методів вимірювання.

Наукові положення, що виносяться на захист:

1. Використання самонапружуючих тампонажних сумішей на основі портландцементу з розширюючими добавками фосфогіпсо-вапнистих спіків в 1,2 рази підвищує механічні характеристики тампонажного каменю та в середньому на 30 % збільшує коефіцієнт зщеплення між породами та розчином, що уможливлює в більш повному обсязі використовувати трибомеханічні особливості поведінки приконтурних порід, забезпечуючи умови більш повного міжблокового контакту порушених породних елементів, що, в свою чергу сприяє збільшенню ефекту самозаклинювання порід в приконтурній зоні виробки.

2. Застосування комбінованого способу зміцнення приконтурних порід з використанням анкерного кріплення та наступним тампонажем самонапрягаючими будівельними сумішами на основі портландцементу з розширюючими добавками фосфогіпсо-вапнистих спіків в 1,5-2,8 рази зменшує конвергенцію контуру виробки, покращуючи таким чином режим роботи базового кріплення. При цьому найбільш раціональним з точки зору досягнення ефекту самонапруження являються будівельні суміші з вмістом фосфогіпсо-вапнистих спіків в кількості 7,5 % при нагнітанні тампонажного розчину в вертикальні свердловини під тиском до 5 МПа.

Наукова новизна проведених досліджень полягає в наступному:

- уперше обґрунтовані параметри та можливість використання тампонажних розчинів на основі портландцементу з розширюючими добавками фосфогіпсо-вапнистих спіків;

- уперше дана оцінка властивостей та впливу розширюючих і самонапружуючих тампонажних розчинів на фізико механічні властивості та напружено-деформований стан породобетонних утворень;

- розроблена аналітична модель і одержав подальший розвиток аналітичний метод розрахунку напружено-деформованого стану тампонажної оболонки, підкріпленої анкерним кріпленням, в умовах різнокомпонентного поля напружень.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей геомеханічних процесів у приконтурних породах магістральних підготовчих виробок й обґрунтуванні параметрів способу зміцнення контуру виробок, який передбачає використання анкерного кріплення та тампонажу порушених приконтурних порід будівельними сумішами на основі портландцементу з розширюючими добавками фосфогіпсо-вапнистих спіків.

Практичне значення роботи полягає в:

- розробці способу підвищення стійкості виробок шляхом утворення вантажонесучих породобетонних конструкцій із анкерним кріпленням і наступним ін’єкційним зміцненням розширюючими та самонапружуючими сумішами, які уможливлюють використання характеру поля напружень і деформацій та трибомеханічних особливостей поведінки приконтурного породного масиву;

- визначенні співвідношень між складовими самонапружуючих будівельних сумішей, які за попередніми показниками призначення відповідають вимогам до ін’єкційних розчинів для тампонажу приконтурних порід гірничих виробок;

- розробці затвердженої чинним порядком „Методики утворення армованих вантажонесучих конструкцій шляхом анкерного підкріплення та тампонажу приконтурних порід з використанням самонапружуючих будівельних сумішей”.

Розробки впроваджені на шахтіі „Ювілейна” ВАТ Павлоградвугілля та Дніпропетровському метрополітені. Економічний ефект в результаті використання запропонованого способу зміцнення гірничих виробок на шахті „Ювілейна” ВАТ „Павлоградвугілля” склав 245,3 грн. на 1 пог. м, а при проведенні та підтриманні перегінних тунелів Дніпропетровського метрополітену – 345,2 грн. на 1 пог. м.

Особистий внесок здобувача полягає в визначенні мети, ідеї роботи та формуванні задач досліджень і наукових положень, виборі методів досліджень, проведенні лабораторних і шахтних інструментальних досліджень, а також в розробці чисельно-аналітичного методу розрахунку поля напружень і деформацій породного контуру виробки, зміцненого безпосередньо за просуванням забою виробки. За безпосередньою участю здобувача розроблено технологію способу зміцнення приконтурних порід, здійснено його апробацію та впровадження в промислових умовах. Зміст дисертації викладено автором особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи докладалися і обговорювалися на Першій і Другій Конференціях молодих вчених ІГТМ НАН України „Геотехнические и геомеханические проблемы разработки месторождений” (Дніпропетровськ, 2003-2004 р.), на Міжнародній науково-технічній конференції „Горная геология, геомеханика и маркшейдерия” (Донецьк, 2004 р.).

Публікації. За результатами виконання досліджень опубліковані 10 наукових праць, у тому числі 9 у спеціалізованих виданнях, отримано 1 патент.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних джерел з 117 найменувань і додатків. Вона містить 166 сторінок машинописного тиску, 42 рисунків і 19 таблиць. Загальний обсяг дисертації складає 191 сторінку.

Основний зміст роботи

Забезпечення стійкості гірничих виробок протягом всього терміну їх цільового використання є важливим чинником, який підтримує надійне функціонування шахт. Складність підтримки й охорони виробок збільшується із зростанням глибини розробки, особливо в умовах слабометаморфізованих порід Західного Донбасу.

Тому перший розділ дисертації присвячений аналізу стану наведеної вище проблеми:

- Приведена характеристика літолого-структурного складу вуглевміщуючих порід.

- Дана характеристика умов розробки та способів охорони гірничих виробок в умовах шахт Західного Донбасу.

- Виконано аналіз і дано оцінку способів підвищення стійкості виробок.

- Сформульовано ціль і задачі досліджень.

Другий розділ дисертації присвячено викладенню результатів експериментальних досліджень властивостей і структури вантажонесучих породобетонних конструкцій.

Визначення фізико-механічних властивостей тампонажного каменю проводилось по методиці і на обладнанні, розробленому НДІ організації та механізації шахтного будівництва (м. Харків) та ІГТМ НАН України.

В результаті проведених досліджень властивостей напрягаючих тампонажних розчинів і породобетонних конструкцій на їх основі установлено:

- Введення в портландцемент добавки фосфогіпсо-вапнистих спіків в кількості, забезпечуючий достатнє лінійне розширення в початковий період (до 20 діб) приводить до зниження міцності зразків (порядку 6 % - до 14 діб і 3 % - до 28 діб) в порівнянні з міцністю зразків на бездобавочному цементі, а через 90 діб після початку твердіння міцність зразків практично співпадала (Таблиця 1).

- Міцність зразків на портландцементі з добавкою 7,5 % в віці 90 діб приблизно в 1,2 рази вища, ніж в зразків на бездобавочному портландцементі (Рис. 1).

- Вільне розширення та міцність зразків, де в якості заповнювача використовувалась зола-унос ТЕЦ вища ніж міцність зразків, де в якості заповнювача використовувався пісок.

- Величина лінійного розширення та самонапруження в семидобовому віці для всіх зразків складає 80-90 % від величина самонапруження через 28 діб (Рис. 2, 3).

- Оптимальним по досягненню ефекту самонапруження до 3 МПа являються суміші із вмістом добавки в кількості 7,5 % (Рис. 3)

- Найбільшу міцність мають омонолічені піщаники, міцність омонолічених аргілітів і алевролітів дещо нижча (Рис. 4)

Таблиця 1

Добавки | Кількість добавки, % | Самонапруження, МПа | Міцністні характеристики, МПа

Пісок / зола-унос | пісок / зола-унос | пісок / зола-унос

1 | 2 | 3 | 4 | 5

Криворізький цементний завод

Бездобавочний | 9,72/9,81 | 41,6/42,1

60 В | 5 | 2,21/2,25 | 7,96/8,1 | 39,2/39,8

7,5 | 2,88/2,94 | 7,48/7,55 | 36,4/36,7

10 | 2,76/2,84 | 7,28/7,34 | 37,7/38,2

50 В | 5 | 3,1/3,32 | 8,28/8,31 | 40,12/40,81

7,5 | 3,78/3,86 | 9,27 / 9,34 | 41,2/41,9

10 | 2,91/2,98 | 8,77/9,12 | 39,52/40,31

Бездобавочний | 9,72/9,81 | 41,6/42,1

50 Д | 5 | 2,82/2,88 | 7,92 / 8,06 | 40,9/41,5

7,5 | 3,76/3,84 | 8,28/8,34 | 42,8/45,4

10 | 3,2/3,27 | 8,08/8,16 | 39,7 / 40,4

Дніпродзержинський цементний завод

Бездобавочний | 8,78/9,1 | 39,7/41,2

60 В | 5 | 2,2 / 2,26 | 8,02 / 8,09 | 37,2/38,1

7,5 | 2,89/2,93 | 8,68 / 8,72 | 37,7/38,6

10 | 2,77/2,85 | 7,70/7,78 | 35,3/36,1

50 В | 5 | 2,99/3,3 | 7,78/7,85 | 33,4/34,2

7,5 | 3,74/3,81 | 8,49 / 8,57 | 32,8/33,5

10 | 2,92 / 2,97 | 8,68/8,75 | 34,1/34,7

Бездобавочний | 8,78/9,1 | 39,7/41,2

50 Д | 5 | 2,81/2,87 | 7,78/ 8,01 | 35,9/36,5

7,5 | 3,74/3,82 | 8,42/8,5 | 36,8/37,3

10 | 3,1/3,16 | 8,82/8,9 | 32,9/33,4

Рисунок 1 – Змінювання міцності тампонажного каменю на основі портландцементу М 400 (суцільні) і портландцементу М 400 з розширюючою добавкою (штрихові лінії) при співвідношеннях Ц:З:В: 1 – (1:1:1,75); 2 – (1:4:1,75)

1 – бездобавочний; 2, 3, 4, 5 – добавка спіку типу 60 В відповідно 5 %, 7,5 %,

10 % и 12,5 %; 6 – добавка 10 % спіків типу 50 В і 60 Д

Рисунок 2 – Вільне лінійне розширення зразків

1-1 доба затвердіння; 2-3 доби затвердіння; 3-7 доби затвердіння;

4-28 доба затвердіння.

Рисунок 3 – Динаміка зростання самонапруження зразків із портландцементу

з добавкою фосфогіпсо-вапнистих спіків

1 – пісчаника; 2 – алевроліту; 3 – аргіліту

Рисунок 4 – Діаграми “напруження-деформація”

- Використання розширюючих ін’єкційних розчинів підвищує коефіцієнт щеплення між породами та тампонажним каменем в середньому на 30 % (Рис. 5)

- Відносні переміщення підошви-крівлі та боків гірничої виробки на моделях із еквівалентних матеріалів, де використовувались розчини з розширюючими добавками в 1,2-1,5 рази менші переміщень контуру, де тампонаж проводився розчинами на основі бездобавочного портландцементу.

1 – пісчаник; 2 – алевроліт 3 – аргіліт

Рисунок 5– Залежність коєфіціента зщеплення тампонажного каменю з породами

від терміну твердіння та водоцементного співвідношення

Третій розділ присвячено математичному моделюванню та аналітичному дослідженню напружено-деформованного стану вантажонесучих породобетонних конструкцій.

Інструментальними спостереженнями, виконаними ІГТМ НАН України в умовах шахт Західного Донбасу виявлено зональний характер руйнування порід поблизу гірничих виробок.

Проведені дослідження показали, що навколо виробки має місце нерівнокомпонентне поле напружень, особливості якого враховувались при виборі математичної моделі. Математичне моделювання напружено-деформованого стану породобетонних конструкцій, здійснювалось в рамках плоскої задачі теорії лінійно-пружного ізотропного твердого тіла. Схематично породобетонна оболонка с підкріплюючими елементами представляється у вигляді половини кільця, внутрішній радіус якого () дорівнює половині діаметра виробки, а зовнішній – ширині найближчої до виробки зони порушених порід () (Рис. 6).

Фізико-механічні властивості за тампонованих порід і непорушеного масиву характеризуються пружними константами ( - модуль Юнга) та ( - коефіцієнт Пуассона), де і з індексом = 1 відносяться до зміцненої зони, а величини з індексом = 2 – до нетронутого масиву.

Рисунок 6 – Схема зміцнення контуру виробки

В процесі розв’язку задач використані співвідношення закону Гука в безрозмірних величинах

(1)

де позначено і - нормальні радіальні та тангенціальні, а - дотичні напруження.

Граничні умови

При

(2)

При

При

.

В процесі розв’язку граничних задач рівняння рівноваги приводиться до рівнянь с постійними коефіцієнтами.

(3)

Розв’язання поставленої задачі здійснювалось згідно загальноприйнятого алгоритму. В результаті аналізу одержаних результатів чисельного розрахунку установлено:

- В поперечних перерізах породобетонної оболонки, утвореної в результаті виконання тампонажу, після початку руху порушених порід мають місце стискуючі напруження (Таблиця 2).

Таблиця 2

- Найвища концентрація нормальних радіальних і тангенціальних напружень має місце в перерізах і , а найвища концентрація дотичних напружень - в перерізах .

- Збільшення відносної товщини тампонажної оболонки приводить до зниження (в 1,8 рази) компонент тензора напружень, переміщень контуру виробки – більш як в 2 рази (Рис. 7, 8).

Рисунок 7 – Вплив товщини оболонки на розподілення дотичних напружень

Рисунок 8 – Графік переміщень контуру

виробки в різнокомпонентному полі напружень

- Анкерне кріплення та ущільнююча дія тампонажного розчину зменшує в середньому на 30 % радіальні переміщення.

- У виробці, приконтурна зона якої змінюється безпосередньо вслід за просуванням забою, має місце зона розтягуючи напружень, яка із зростанням внутрішньосвердловинного тиску збільшується приблизно в 1,2 рази. Тангенціальні напруження при цьому являються стискуючими (Рис. 9).

- Результати розрахунків показали суттєвий вплив коефіцієнта Пуассона на характер напружено-деформованого стану.

При = 0,25 в крівлі виробки має місце зона розтягуючих радіальних напружень, а при = 0,3 – мають місце стискуючі радіальні напруження. Тангенціальні напруження при = 0,25 являються стискуючими, а при = 0,3 – розтягуючи ми (Рис. 10).

1 - = 0,2; 2 - =0,3; 3 - =0,4

Рисунок 9 – Залежність радіальних і тангенціальних напружень

від співвідношення ()

1 - = 0,2; 2 - =0,22; 3 - =0,25; 4 - =0,3

Рисунок 10 – Залежність радіальних і тангенціальних

напружень на контурі виробки від коефіцієнту Пуасона

- Одержані результати теоретичних досліджень дозволяють стверджувати, що зміна фізико-механічних властивостей вантажонесучих породобетонних утворень і величини внутрішньосвердловинного тиску в крівлі виробки дозволяють визначити ряд практичних заходів по забезпеченню стійкості виробок в умовах шахт Західного Донбасу.

Четвертий розділ дисертації присвячений інструментальним дослідженням проявів гірничого тиску в умовах шахт Західного Донбасу, та розробці способу підвищення стійкості магістральних підготовчих виробок.

З ціллю вивчення умов підтримання гірничих виробок, породний контур яких зміцнюється при допомозі тампонажу з використанням розчинів на основі портландцементу з розширюючими добавками фосфогіпсо-вапнистих спіків і установки анкерів, проведені інструментальні дослідження в умовах шахти „Ювілейна” ВАТ „Павлоградвугілля” (Рис. 11).

В результаті проведених інструментальних спостережень встановлено, що тиск на динамометричне арочне кріплення з підкріплюючими елементами приблизно в шість разів менше від тиску на таке ж кріплення де використовувалось лише арочне піддатливе кріплення.

Рисунок 11 – Схема замірної станції на арочне піддатливе кріплення

Найвищі інтенсивність зростання тиску спостерігалась приблизно до 25 діб після установки динамометричного кріплення (Рис. 12).

Характерним для піддатливих кріплень є нерівномірна та стрибкоподібна зміна тиску в часі. Спостереження за переміщеннями пород на контакті з піддатливим кріпленням показали, що породи зміщуються по контуру нерівномірно більші по абсолютній величині переміщення мають місце із сторони крівлі виробки.

Порівняльний аналіз результатів спостережень показав, що ін’єкційне зміцнення приконтурних порід будівельною сумішшю на основі портландцементу з розширюючими добавками фосфогіпсо-вапнистих спіків зменшує переміщення в крівлі та боках в середньому на 58 %.

На замірних дільницях, закріплених арочним кріпленням з підкріплюючими елементами мало місце поступове плавне зростання переміщень, в той час як на дільницях закріплених лише піддатливим кріпленням спостерігались більші переміщення із стрибкоподібною і нерівномірною зміною в часі (Рис. 13).

За результатами шахтної апробації і впровадження підтверджено ефективність розробленого способу підтримки підготовчих гірничих виробок. Сумарний економічний ефект від впровадження розробок склав 245,3 грн. на погонний метр.

1 і 3 – боковий; 2 і 4 – вертикальний тиск на арочне кріплення

Рисунок 12 – Графіки тиску на арочне податливе кріплення в залежності від часу

1-4 переміщення; 2/ і 4/ – швидкість переміщень

Рисунок 13 – Змінення переміщень та швидкості переміщень в часі

Висновок

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій вирішена актуальна науково-прикладна задача підвищення стійкості гірничих виробок шляхом утворення армованих породобетонних конструкцій в умовах слабометаморфізованих вуглевміщуючих порід розчинами, що розширюються.

Основні підсумкові наукові та практичні результати роботи полягають у наступному:

1. Встановлено, що використання розроблених самонапружуючих будівельних сумішей на основі портландцементу з розширюючими добавками фосфогіпсо-вапнистих спіків забезпечує підвищення в 1,2 рази механічних характеристик тампонажного каменю та збільшення в середньому на 30 % коефіцієнту щеплення між породами та розчином, що уможливило більш повний між блоковий контакт порушених породних елементів, в результаті чого збільшується ефект само заклинювання приконтурних порід.

2. Доведено, що найбільш раціональними для досягнення ефекту самонапруження являються будівельні суміші з вмістом фосфогіпсо-вапнистих спіків в кількості 7,5 % при нагнітанні тампонажного розчину в вертикальні свердловини під тиском до 5 МПа.

3. Встановлено закономірності зміни напружено-деформованого стану масиву в залежності від способу зміцнення приконтурних порід.

4. Для умов шахт Західного Донбасу визначено параметри способу та розроблено технологію утворення вантажо-несучих армованих систем. Пріоритет зазначеного способу захищено патентом України на „Спосіб утворення армованої породобетонної оболонки”.

5. В результаті експериментальних випробувань способу в умовах шахти „Ювілейна” ВАТ „Павлоградвугілля” та у виробках Дніпропетровського метрополітену встановлено, що:

5.1. Тиск на кріплення з підкріпленим контуром в шість разів менше ніж тиск на кріплення без зміцнення приконтурних порід.

5.2. При непідкріпленому контурі виробки має місце стрибкоподібне проковзування елементів піддатливого кріплення в замках, а при зміцненому контурі проковзування в замках не спостерігалось: тиск зростає плавно із швидкістю в 2 рази меншою ніж швидкість зростання тиску при непідкріпленому контурі.

5.3. Зміцнення порушених приконтурних порід будівельною сумішшю на основі портландцементу з розширюючими добавками фосфогіпсо-вапнистих спіків зменшує переміщення крівлі та боків в середньому на 58 %.

5.4. При збільшенні тиску ін’єкційного розчину в вертикальних свердловинах спостерігалось зменшення переміщень крівлі та боків більш як в 2,5 рази.

6. Економічний ефект в результаті використання запропонованого способу зміцнення магістральних підготовчих виробок на шахті „Ювілейна” ВАТ „Павлоградвугілля” склав 245,3 грн. на 1 пог. м виробки, а при проведенні та підтриманні перегінних тунелів Дніпропетровського метрополітену – 345,2 грн. на 1 пог. м.

Основні положення та результати дисертації опубліковані в наступних роботах:

1. Колесников В.Г., Левченко Г.В. Кинетика и механизм разрушения пород вблизи обнажений // Геотехн. механика. – № 21. – 2000. – С. 83-86.

2. Колесников В.Г., Левченко Г.В. Кинетика разрушения пород в приконтурной области // Геотехн. механика. – № 27. – 2001. – С. 36-41.

3. Левченко Г.В. Устойчивость выработок в условиях разрушающих пород при ограниченном его развитии // Геотехническая механика. - Днепропетровск. – 2002. – Вып. 30. – С. 131-134.

4. В.Г.Колесников, В.Г.Перепелица, Г.В.Левченко. Аналитические исследования устойчивости выработок при тампонаже закрепного пространства // Геотехническая механика. – Днепропетровск: ИГТМ НАНУ.- 2002. - № 40. – С. 31-34.

5. Перепелица В.Г., Коломиец А.Н., Левченко Г.В. Расчет породобетонной оболочки, образующейся при тампонаже приконтурной зоны выработки // Геотехническая механика. – Днепропетровск: ИГТМ НАНУ.- 2003. - № 42. – С. 130-135.

6. Перепелица В.Г., Коломиец А.Н., Левченко Г.В. Решение контактной задачи о взаимодействии шахтной крепи и тампонажной оболочки // Известия Донецкого горного института. - № 1. – 2003. - С. 74-78.

7. Перепелица В.Г., Коломиец А.Н., Левченко Г.В. Деформация тампонажной оболочки с подкрепляющими элементами // Геотехническая механика. – Днепропетровск: ИГТМ НАНУ.- 2003. - № 44. – С. 186-195.

8. Патент України на винахід № 66494 А. Спосіб утворення армованої породобетонної оболонки. Автори: В.Г.Перепелиця, О.М.Коломієць, Г.В.Левченко. Опубл. 17.05.2004, Бюл. №5.

9. Перепелица В.Г., Коломиец А.Н., Левченко Г.В. Оценка особенностей расширяющих составов при формировании тампонажного камня // Геотехническая механика. – Днепропетровск: ИГТМ НАНУ.- 2004. - № 48. – С. 142-148.

10. Левченко Г.В. Об одном подходе к исследованию напряженно-деформированного состояния затампонированного контура выработки, подкрепленного анкерной крепью // Геотехническая механика. – Днепропетровск: ИГТМ НАНУ.- 2005 - № 55. – С. 216-229.

Особистий внесок автора в роботи, опубліковані у співавторстві [1, 2, 4-9] полягає в визначенні цілі, формуванню задач досліджень і наукових положень, виборі методів досліджень, проведенні лабораторних і шахтних інструментальних досліджень, а також в розробці чисельно-аналітичного методу розрахунку поля напружень і деформацій породного контуру виробки, що змінюється безпосередньо за просуванням забою виробки. По шукачем розроблена технологічна схема способу зміцнення приконтурних робіт, здійснена її апробація та впровадження в умовах виробництва.

Анотація

Левченко Г.В. „Розробка способу підвищення стійкості виробок шляхом формування армованих породобетонних конструкцій розчинами, що розширюються”. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.11 – Фізичні процеси гірничого виробництва. Інститут геотехнічної механіки ім. М.С.Полякова НАН України, Дніпропетровськ, 2007.

Дисертація присвячена обґрунтуванню параметрів способу та розробці на його основі технології підвищення стійкості виробок шляхом утворення армованих породобетонних конструкцій в умовах слабометаморфізованих вміщуючих порід.

Вирішення поставленої задачі досягається шляхом вирішення наступних задач:

- Розробка ефективних самонапружуючих будівельних сумішей на основі портландцементу з розширюючими добавками фосфогіпсо-вапнистих спіків для тампонажу приконтурних порід і дослідження фізико-механічних властивостей тампонажного каменю.

- Обґрунтування методики та дослідження в умовах шахт Західного Донбасу процесів взаємодії армованих породобетонних конструкцій і базового кріплення.

- Розробка математичної моделі та творення узагальненого методу розрахунку параметрів напружено-деформованого стану породобетонних конструкцій.

- Обґрунтування параметрів і розробка технології утворення армованих породобетонних конструкцій, суттєво покращуючи роботу базового кріплення в процесі експлуатації підземних гірничих виробок.

У результаті проведеного комплексу теоретичних і експериментальних досліджень установлено:

- Використання будівельних сумішей на основі портландцементу з розширюючими добавками фосфогіпсо-вапнистих спіків суттєво покращує якість омонолічування порушених порід контуру виробки, заповнюючи за рахунок розширення суміші всі розломи та тріщини.

- Використання запропонованих розширюючих і самонапружуючих ін’єкційних розчинів в середньому на 30 % підвищує коефіцієнт зчеплення між породами та розчином, в результаті чого переміщення крівлі-підошви та боків виробки в 1,2-1,5 рази менше переміщень контуру, затампонованого розчином на основі бездобавочного портландцементу.

Показано, що в умовах слабометаморфізованих вуглепородних порід західного Донбасу зміцнення приконтурної зони виробки необхідно проводити безпосередньо вслід за посуванням забою з тим, щоб створювати умови для самозаклинювання порушених приконтурних порід.

Результати проведених експериментальних досліджень в умовах шахт Західного Донбасу свідчать про те, що анкерне кріплення та тампонаж контуру виробки будівельною сумішшю на основі портландцементу з розширюючими добавками фосфогіпсо-вапнистих спіків в середньому на 58 % зменшує переміщення крівлі та боків виробки.

Доведено, що використання самонапружуючих тампонажних розчинів, застосування анкерного кріплення та нагнітання тампонажного розчину в вертикальні свердловини під тиском до 6 МПа забезпечує перехід приконтурного масиву в режим узагальненого стискання, що суттєво підвищує стійкість виробок.

Результати розробок впроваджено на шахті „Ювілейна” ВАТ „Павлоградвугілля” та Дніпропетровському метрополітені при проведенні гірничих виробок і перегонних тунелів з економічним ефектом відповідно 245,3 та 345,2 грн. на 1 пог. м. підземної виробки.

Ключові слова: розширюючи добавки фосфогіпсо-вапнистих спіків, самонапружуючий тампонажний розчин, підготовчі виробки, зміцнення породного контуру.

Аннотация

Левченко Г.В. "Разработка способа повышения устойчивости выработок путем формирования армированных породобетонних конструкций". Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 - Физические процессы горного производства. Институт геотехнической механики им. Н.С.Полякова НАН Украины, Днепропетровск, 2007.

Диссертация посвящена вопросам обоснования параметров и разработке способа повышения устойчивости подземных выработок путем образования армированных породобетонных конструкций в условиях слабометаморфизированных вмещающих пород.

В результате проведенного комплекса теоретических, лабораторных и экспериментальных исследований установлены закономерности геомеханических процессов в окрестности подготовительных выработок при использовании самонапрягающихся тампонажных растворов и применения анкерного крепления. На основе учета факторов, влияющих на устойчивость выработок, предложен способ образования армированных породобетонных оболочек, приоритет которого защищен патентом Украины.

Разработана и внедрена на шахте "Юбилейная" ОАО "Павлоградвуголь" и Днепропетровском метрополитене методика образования армопородобетонных грузонесущих конструкций при проведении горных выработок и перегонных туннелей, что позволило получить экономический эффект соответственно 245,3 и 345,2 грн. на 1 пог. м. подземной выработки.

Ключевые слова: расширяющиеся добавки фосфогипсо-известковых спеков, самонапрягающийся тампонажный раствор, подготовительные выработки, упрочнение породного контура.

ANNOTATION

Levchenko G.B. “Method for Improving Stability of Workings Through Creation of Rock-And-Concrete Structures Reinforced by Expandable Mortar”.

Thesis for degree of Candidate of Technical Sciences, specialty 05.15.11 – Physical processes in mining. The N.S.Polyakov’s Institute of Geotechnical Mechanics of National Academy of Science of Ukraine. Dnipropetrovs’k. 2007.

The thesis presents parameters and methods of improving stability of underground workings by way of creation of reinforced rock-and-concrete structures in the wall rocks with poor metamorphization.

In results of theoretical, laboratory and experimental tests regularity of physical processes were defined in areas close to pre-mining workings when self-stressing grouting mortars and anchors are used. Taking into account factors influencing stability of the workings, method of building of reinforced rock-and-concrete shells is suggested. Priority of the method is protected by patent of Ukraine.

Method for creation of reinforced rock-and-concrete load-carrying structures was designed for mining roadways and open-line tunnels and introduced in Yubileinaya mine of corporation “Pavlogradugol” and in Dnipropetrovs’k underground with economic effect UAH 245.3 and UAH 345.2 per running meter of the underground mining, respectively.

Key words: expandable additions of phosphogypsum cakes, self-stressing grouting mortar, pre-mining workings, strengthening of rock contour.