НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ ГІРНИЧИХ ПРОЦЕСІВ

САВЕНКО АНДРІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ

УДК 622.834.1

РОЗРОБКА Й ОБҐРУНТУВАННЯ КОМБІНОВАНОЇ СХЕМИ

ПЕРЕСУВАННЯ МЕХАНІЗОВАНИХ КРІПЛЕНЬ В ОЧИСНИХ ВИБОЯХ

Спеціальність 05.15.02 – “Підземна розробка родовищ корисних копалин”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики гірничих процесів НАН України
(м. Донецьк).

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Антипов Ігор Владиславович, Інститут фізики гірничих процесів НАН України (м. Донецьк), завідувач відділу прогнозу та боротьби з газодинамічними явищами у шахтах.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Четверик Михайло Сергійович, Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України (м. Дніпропетровськ), завідувач відділу геомеханічних основ технології розробки родовищ;

кандидат технічних наук, доцент кафедри підземної розробки Дичковський Роман Омелянович, Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Захист відбудеться “30” листопада 2007 р. об 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.184.02 при Інституті фізики гірничих процесів НАН України за адресою: вул. Рози Люксембург, 72, 83114, м. Донецьк

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики гірничих процесів НАН України за адресою: вул. Рози Люксембург, 72, 83114, м. Донецьк

Автореферат розісланий “28” жовтня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 11.184.02,

доктор технічних наук Синков В.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Україна за обсягами видобутку вугілля входить у десятку провідних вуглевидобувних країн світу. Загальний обсяг запасів вугілля в Україні становить близько 117,5 млрд тонн, а промислових запасів на діючих шахтах – 6,5 млрд тонн.

Виробнича діяльність вуглевидобувної промисловості супроводжується залученням в розробку родовищ, які характеризуються ускладненням гірничо-геологічних умов на глибині до 1500 м. Збільшення гірського тиску на великих глибинах призводить до зниження ефективності використання комплексно-механізованих технологій виїмки вугілля. Обумовлено це недосконалістю технологій кріплення і управління покрівлею пласта. Існуючі схеми пересування механізованого кріплення розроблялися для застосування на глибинах до 800 м і не враховують особливостей геомеханічних процесів у масиві гірських порід при пересуванні секцій кріплення на глибинах 1200 м і більше. Крім того, відомі технології кріплення і управління покрівлею не забезпечують необхідної швидкості кріплення очисного вибою при високих швидкостях просування лав, що зумовлює утворення великих незакріплених площ безпосередньої покрівлі і збільшує вірогідність вивалоутворення в привибійному просторі лави.

Останнім часом намітилися нові тенденції у розвитку технології ведення очисних робіт на великих глибинах. У першу чергу це пояснюється необхідністю підвищення ефективності взаємодії механізованого кріплення з вміщуючими породами для зниження зольності вугілля, що добувається, за рахунок скорочення обвалень породи в очисних вибоях.

У раніше проведених дослідженнях були обґрунтовані критерії визначення довжини кінцевих ділянок лави, а також установлені залежності визначення прискорення конвергенції вміщуючих порід по довжині лави. Однак ці дослідження не дозволяють визначити межі зони впливу технологічних операцій виїмки вугілля і пересувки механізованого кріплення по довжині очисного вибою. Очевидно, що основними чинниками обґрунтування схеми пересувки механізованого кріплення є довжина зони впливу технологічних операцій виїмки вугілля і пересувки секцій, а також геомеханічні процеси, що відбуваються в гірському масиві. На підставі матеріалів раніше проведених досліджень, вирішити цю задачу не уявляється можливим. Пов’язано це з тим, що під час шахтних спостережень вимірювання припинялися при пересувці секцій механізованого кріплення, розташованих у районі вимірювальної станції, і поновлювалися після пересувки секції в нове місце. Тому відсутні дані про інтенсивність конвергенції вміщуючих порід у момент зняття розпору, під час переміщення секції і при наборі робочого опору кріплення.

Таким чином, актуальним є підвищення ефективності комплексно-механізованої технології ведення очисних робіт на глибоких горизонтах шляхом розробки і обґрунтування нової схеми пересувки секцій механізованого кріплення.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною наукових досліджень Інституту фізики гірничих процесів НАН України, а саме “Вид напруженого стану вугілля та фазовий стан метану в ньому при руйнуванні” (№ ДР 0102U003845) та “Встановлення закономірностей зміни фізико-механічного стану гірничого масиву при підземній розробці вугільних пластів” (0107U002130).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності комплексно-механізованої технології ведення очисних робіт на глибоких горизонтах шляхом розробки і обґрунтування нової схеми пересувки секцій механізованого кріплення.

Для досягнення поставлених цілей вирішені наступні задачі:

1. Розроблена методика комплексних інструментальних досліджень, проведені шахтні інструментальні спостереження в умовах високої швидкості просування очисного вибою і одержані вихідні дані конвергенції вміщуючих порід у зоні впливу технологічних операцій виїмки вугілля і пересувки секцій механізованого кріплення.

2. Виконані емпіричні дослідження зсувів масиву гірських порід і земної поверхні при підробітку високошвидкісних очисних вибоів на великих глибинах.

3. Проведений аналіз результатів комплексних інструментальних спостережень і отримані залежності швидкості і прискорення конвергенції вміщуючих порід у зоні інтенсивного впливу технологічних операцій виїмки вугілля і пересувки секцій механізованого кріплення у часі.

4. Проаналізовані існуючі схеми пересувки секцій механізованого кріплення і розроблена схема, що забезпечує високу швидкість просування очисного вибою на великих глибинах.

5. Проведена шахтна апробація розробленої схеми пересувки механізованого кріплення в умовах високої швидкості просування очисного вибою і великої глибини ведення робіт.

6. Розроблені рекомендації щодо підвищення ефективності комплексно-механізованої виїмки вугілля високопродуктивними очисними вибоями на глибоких горизонтах.

Ідея роботи полягає у використанні закономірностей прискорення конвергенції вміщуючих порід для розробки і обґрунтування схеми пересувки секцій механізованого кріплення у високопродуктивних очисних вибоях на великій глибині ведення робіт.

Об’єкт дослідження. Масив гірських порід з очисною виробкою.

Предмет дослідження. Очисна виробка з механізованим кріпленням.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої мети в роботі послідовно використані такі методи: шахтні інструментальні спостереження в умовах високої швидкості просування очисного вибою на великій глибині з метою отримання вихідних даних для встановлення простягання зони максимальної інтенсивності конвергенції вміщуючих порід у середній частині лави; метод групового обліку аргументів для встановлення залежностей швидкості і прискорення конвергенції вміщуючих порід у зоні впливу технологічних операцій виїмки вугілля і пересувки секцій механізованого кріплення; шахтна апробація запропонованої схеми пересувки секцій механізованого кріплення у високопродуктивному очисному вибої на великій глибині; техніко-економічне обґрунтування результатів упровадження схеми пересувки секцій механізованого кріплення.

Наукові положення, які захищаються в дисертації:

1. Розвиток процесу деформації в масиві гірських порід відбувається з прискоренням (уповільненням), причому зміна знака швидкості розвитку деформацій вказує на зміну напруг розтягування напругами стиску в масиві гір-ських порід.

2. Прискорення конвергенції є критерієм зміни напружено-деформованого стану масиву гірських порід, а його знакозмінність характеризує чергування напруг стиску й розтягування в бічних породах при виконанні технологічних операцій виїмки вугілля й пересувки механізованого кріплення.

3. Максимальний вплив технологічних операцій виїмки вугілля і пересув-ки секцій механізованого кріплення виявляється на ділянці лави довжиною 40 м, по 20 м в обидва боки від місця виїмки, де відбувається до 90% зсувів за час очис-ного циклу, причому 60% зсувів виникає на 20-метровій ділянці позаду місця виїмки при пересувці секцій механізованого кріплення.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше знакозмінність прискорення конвергенції вміщуючих порід використана для оцінки напружено-деформованого стану гірського масиву, при цьому встановлено, що зняття розпору секції механізованого кріплення приводить до зміни прискорення конвергенції від – 0,128 мм/сек.2 до 0,0224 мм/сек.2 протягом 18-26 сек., що спричиняє розшарування і руйнування порід покрівлі в лаві.

2. Уточнено максимальні значення швидкості й прискорення конвергенції вміщуючих порід у зоні впливу технологічних операцій виїмки вугілля й пересувки секцій механізованого кріплення в лаві, які становлять, відповідно, 27 мм/хв і 450 мм/хв2.

3. Вперше прискорення конвергенції бічних порід використано для визначення зони інтенсивного руйнування гірських порід при пересувці секцій механізованого кріплення в середній частині лави.

4. Вперше одержана емпірична залежність швидкості розвитку деформацій в масиві гірських порід від глибини ведення робіт і швидкості просування очисного вибою, що дозволяє прогнозувати швидкість розвитку деформацій на глибинах розробки до 1500 м і швидкості просування лави до 150 м/міс.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджена:

- збіжністю емпіричних та експериментальних даних при відносній похибці в інформаційному полі не більше 9%;

- позитивними результатами шахтної апробації комбінованої схеми пересувки секцій механізованого кріплення у високопродуктивному очисному вибої на великій глибині ведення робіт;

- економічним ефектом від упроваджених рекомендацій щодо підвищення ефективності комплексно-механізованої виїмки вугілля.

Наукове значення одержаних результатів полягає в подальшому розвитку уявлень про зсуви масиву гірських порід при підробітку його очисними вибоями на глибоких горизонтах і встановленні нової емпіричної залежності швидкості розвитку процесу деформацій гірського масиву, а також в новому розумінні прискорення конвергенції вміщуючих порід як критерію зміни напружено-деформованого стану масиву гірських порід для встановлення простягання зон інтенсивного впливу технологічних операцій виїмки вугілля і пересувки секцій механізованого кріплення у високопродуктивних очисних вибоях на великій глибині.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблена і апробована комбінована схема пересувки секцій механізованого кріплення, яка дозволяє збільшити навантаження на очисний вибій.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи. Розроблені і затверджені “Методика комплексних інструментальних досліджень у 17-й східній лаві пласта m3 ОП “Шахта ім. О.Ф. Засядька” і “Рекомендації щодо підвищення ефективності комплексно-механізованої виїмки вугілля високопродуктивними очисними вибоями на глибоких горизонтах”. Розрахунковий економічний ефект від застосування технології виїмки вугілля механізованим комплексом з використанням комбінованої схеми пересувки секцій кріплення при доробці ділянки стовпа 17-ї східної лави пласта m3 на ОП “Шахта ім. О.Ф. Засядька” становив 104074,4 грн.

Особистий внесок здобувача. Автором дисертаційної роботи дано подаль-ший розвиток науковому напряму використання прискорення конвергенції вміщуючих порід шляхом обґрунтування його застосування як критерію зміни напружено-деформованого стану гірського масиву. За допомогою цього критерію вирішена практична задача розробки нової схеми пересувки секцій механізованого кріплення. У роботах, опублікованих у співавторстві, автор проаналізував стан вугільної галузі України, розробив методику проведення шахтних істру-ментальних спостережень, обґрунтував роздільний вплив технологічних операцій виїмки вугілля і пересувки секцій механізованого кріплення на інтенсивність конвергенції вміщуючих порід.

Апробація результатів дисертації. Основні практичні результати і наукові положення дисертаційної роботи доповідалися й отримали схвалення на наукових семінарах Інституту фізики гірничих процесів НАН України (м. Донецьк, 2005-2007 рр.), IV конференції молодих вчених “Геотехнічні проблеми розробки родовищ” (м. Дніпропетровськ, ІГТМ, 2006 р.), XI конференції професорсько-викладацького складу за результатами науково-дослідної роботи в 2005 р. (м. Донецьк, ДонДУУ, 2006 р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані у 8 наукових роботах, 5 з яких у спеціалізованих наукових виданнях, затверджених ВАК України.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів і висновку, містить 30 рисунків, 3 таблиці, список літератури нараховує 93 най-менування, є 4 додатки. Дисертація подана у вигляді рукопису на 184 сторінках.

Автор глибоко вдячний колективу ЗАТ “Технологічний парк “Вуглемаш” і особисто гірничому інженеру, президенту ЗАТ “Технологічний парк “Вуглемаш” Гуменюку Олександру Миколайовичу за надане сприяння у виконанні наукового дослідження.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ. Для вугільної промисловості, з розвитком науково-технічного прогресу, інтенсифікацією виробництва й поглибленням робіт, акту-альною проблемою є керування гірським тиском. Для пологих пластів у діапазоні потужностей понад 0,8 м при бічних породах не нижче середньої стійкості ця проблема практично вирішена. Невирішеною залишається проблема керування покрівлею для пологих пластів у діапазоні потужностей понад 0,8 м при бічних породах нижче середньої стійкості у високопродуктивних очисних вибоях на великих глибинах ведення робіт.

Подальше поліпшення роботи очисних вибоїв на пологих пластах з нестійкими покрівлями стримується недостатньою вивченістю взаємозв’язку гірничо-геологічних і гірничотехнічних факторів із процесами, що відбуваються в системі “кріплення-порода”. Вивченням цих факторів у різних гірничо-геологічних й гірничотехнічних умовах і в різні періоди часу займалися провідні українські й зарубіжні вчені.

Великий досвід, накопичений у процесі еволюції гірничої справи, дозволив обґрунтувати існуючі гіпотези деформації масиву гірських порід. Аналіз результатів спостережень за виявом гірського тиску в очисних вибоях утруднений через те, що з різноманіття факторів, які впливають на зсуви покрівлі, деформацію гірських порід і тиск їх на кріплення, неможливо виділити вплив окремих факторів. Усі наявні спостереження й виміри зсувів і деформацій порід в основному відносяться до безпосередньої покрівлі, тому що вивчення процесів і механіки зсувів усієї товщі порід, що бере активну участь у формуванні виявів гірського тиску, утруднено.

За період вивчення принципів взаємодії вміщуючих порід і засобів кріплення, зокрема механізованих кріплень, установлена велика кількість закономірностей, що пояснюють геомеханічні процеси, які відбуваються в системі “кріплення-порода”. Запропоновані критерії для визначення простягання кінцевих ділянок лав на основі прискорення зсувів вміщуючих порід у процесі виконання операцій очисного циклу. Однак проведені раніше дослідження й закономірності не дозволяють установити ділянку лави, на яку поширюється інтенсивний вплив процесу виїмки вугілля комбайном і пересувки механізованого кріплення, а ця ділянка є визначальною для вибору типу механізованого кріплення й схеми її пересувки. Виходячи з цього, сформульована мета й завдання дослідження.

Другий розділ. При підземному видобутку вугілля масив гірських порід знаходиться в динамічному стані. Зміни напруги у масиві гірських порід призводять до численних техногенних явищ, які негативно впливають як на процеси виїмки вугілля, так і на навколишнє природне середовище на поверхні. Ці зміни виявляються в зсуві масиву гірських порід і земної поверхні; утворенні динамічної мульди зсуву масиву гірських порід, що підроблюється, і земної поверхні; зміні статичного стану товщі гірських порід відносно природного й вияву в масиві гірських порід статичних зон розтягування і стиску.

Вихідні дані про загальний час зсувів на різних глибинах розробки, а також дані з нормативного документу “Правила охорони споруджень й природних об’єктів від шкідливого впливу підземних розробок…” оброблені за допомогою методу групового обліку аргументів (МГОА), який дозволяє одержувати модель оптимальної складності й максимальної точності. У результаті проведених аналітичних досліджень отримана емпірична залежність швидкості деформацій від глибини розробки, швидкості просування очисного вибою й тривалості процесу зсувів (1). Відносна похибка в полі вихідних даних для цієї залежності становить менше 10%.

де Vд – швидкість розвитку деформацій по площині зсуву, м/добу;

vов – швидкість просування очисного вибою, м/міс. (30 < vоз < 150);

Нр – глибина розробки, м (300 < Hр < 1500);

tд – тривалість процесу зсувів, міс. (0 < tд < 50).

Видимим виявом поширення деформаційних процесів у масиві гірських порід є осідання земної поверхні. Час початку осідання поверхні, тривалість активної стадії й період згасання цього процесу залежить від швидкості поширення деформацій у товщі гірських порід. Однак за зміною швидкості осідання поверхні землі визначити час зміни напруг важко. Найбільш точно виявити час чергування напруг можливо при обчисленні значень прискорення зсувів, оскільки значення прискорення в цей час є нульовим.

Як вихідні дані для формалізації залежностей прискорення взяті результати маркшейдерських спостережень осідання земної поверхні, виконані в 1997 р. на ОП “Шахта ім. О.Ф. Засядька” фахівцями ДонНТУ під керівництвом проф. Гавриленка Ю.М. для глибин ведення робіт 1170-1280 м і швидкості просування очисного вибою 90-100 м/міс.

Дані інструментальних спостережень, що відповідають активній фазі осідання, проаналізовано за допомогою МГОА. У результаті отримана залежність (2) зсувів поверхні від часу.

мм, (2)

де h – осідання земної поверхні, мм;

t – тривалість процесу осідання, доба.

Диференціальні перетворення залежності (2) за часом дозволили формалізувати швидкість і прискорення процесів осідання земної поверхні, а також розрахувати значення цих величин для даних гірничо-геологічних й гірничотехнічних умов. За результатами розрахунків побудовано графіки залежності швидкості зсуву (крива 1) і прискорення осідання (крива 3) земної поверхні від часу (рис. 1).

Обчислені на підставі залежності (2) значення швидкості осідання земної поверхні й наведені в роботах вчених ДонНТУ близькі за значенням і дорівнюють, відповідно, 64 і 60 мм/міс. Відносна похибка в полі вихідних даних для формули (2) становить не більше 7%.

Із графіків видно, що прискорення осідання поверхні набуває максимального значення в початковий і кінцевий періоди фази активних деформацій. Найбільш важливою є зміна знака прискорення. Час, за який прискорення міняє знак, указує на момент зміни напруг розтягування й стиску при осіданні земної поверхні.

Для подальшого аналізу проведений розрахунок значень швидкості розвитку деформаційних процесів у масиві гірських порід за встановленою залежністю (1). Для розрахунку бралися наведені в роботах вчених ДонНТУ значення гли-бини розробки – 1200 м, швидкості просування вибою – 90 м/міс., часу процесу активної стадії осідання – 20 міс. За результатами розрахунку отримана крива 2 (рис. 1). Із графіка (рис. 1) видно, що швидкість розвитку деформацій у гірському масиві по площині зсуву не однакова. Час, за який швидкість набуває нульового значення, вказує на зміну напруг розтягування й стиску в масиві гірських порід. Різниця між часом, коли прискорення осідання поверхні землі й швидкість розвитку деформацій у масиві гірських порід набувають нульового значення, дорівнює 78 добам.

Рис. 1. Сполучені графіки швидкості й прискорення осідання поверхні землі й швидкості деформації масиву гірських порід по площині зсуву

Цей період часу відрізняється від розрахованого проф. Четвериком М.С. і, отриманого під час маркшейдерських вимірювань запізнювання між початком осідання реперів на поверхні на 8,2%, що підтверджує працездатність залежно-сті). Проведений аналіз доводить, що розвиток деформаційних процесів у масиві гірських порід по площині зсуву й осідання поверхні землі, внаслідок ведення очисних робіт, відбуваються із прискоренням. Причому, зміна знака прискорення осідання земної поверхні вказує на чергування напруг розтягування й стиску в динамічній мульді зсуву.

Третій розділ. Раніше проведеними дослідженнями було встановлено закономірності прискорення геомеханічних процесів у гірському масиві, які полягають у зміні швидкості конвергенції вміщуючих порід при виконанні процесів очисного циклу. Проте висновки, зроблені після обробки шахтних спостережень, базуються на інтерполяції значень конвергенції порід до пересувки секції кріплення після установки вимірювальної стійки в нове положення. Згідно з цими дослідженнями активний вплив технологічних процесів виїмки вугілля й пересувки механізованого кріплення поширюється на ділянці довжиною в 19-22 м, у тому числі 14-17 м попереду від місця пересування механізованого кріплення й 4-5 м позаду від нього. Ці висновки обумовили необхідність уточнення величини зони впливу технологічних операцій виїмки вугілля й пересувки секцій механізованого кріплення в очисному вибої. Місцем проведення інструментальних досліджень прийнята 17 східна лава пласта m3 ОП “Шахта ім. О.Ф. Засядька”.

Пласт m3 “Олександрівський” на ОП “Шахта ім. О.Ф. Засядька” має геологічну потужність 1,51-2,10 м, потужність у досліджуваній лаві становить 1,44-1,64 м, при середній – 1,57 м. Кут падіння пласта в межах виїмкового стовпа не перевищував 50.

Безпосередня покрівля представлена тріщинуватим нестійким аргілітом категорії Б1-Б2 за класифікацією ДонВДІ, потужністю до 4,5 м. Основна покрівля представлена аргілітом, що легко обвалюється (А1-А2), потужністю 3,9-11,8 м, вище залягає алевроліт, потужністю 3,9-6,0 м категорії А1-А2, ще вище – пісковик потужністю 4,7-8,7 м, який має середню потужність обвалень (А2-А3). Безпосередній ґрунт – алевроліт середньої міцності, схильний до сильного обдимання, особливо при зволоженні, категорії П1.

Виїмкове поле відпрацьовувалося по простяганню лави, довжина якої за падінням 280 м. Довжина лави за простяганням – 1520 м. Середня глибина ведення робіт – 1322 м. Виїмка вугілля здійснювалася комбайном 1ГШ68 за однобічною схемою.

Спостереження в 17-й східній лаві пласта m3 проводилися регулярно з 1 грудня 2004 р. по 30 червня 2005 р. При цьому було виконано 120 циклів виїмки вугілля комбайном і пересувки секцій механізованого кріплення. Загальна тривалість спостережень становить 60 робочих змін, або близько 420 год. Просування лави за період спостережень становить близько 800 м; було зафіксовано 10 осідань основної покрівлі.

Для виміру конвергенції вміщуючих порід використовувалася стійка СУВ-2 з індикатором годинного типу ІГТ-0,01, установлена між секціями механізованого кріплення (рис. 2).

На підставі отриманих у ході інструментальних спостережень даних установлено що, за віддаленості комбайна понад 20 м від вимірювальної стійки інтен-сивність конвергенції невелика, а зсув гірських порід не перевищує 1 мм (рис. 3). Швидкість опускання покрівлі на великому віддаленні комбайна становила близько 0,01-0,02 мм/хв і не залежала від операцій з виїмки вугілля й пересувки секцій механізованого кріплення. Отже, процеси виїмки вугілля комбайном і пересувки секцій кріплення на відстані понад 20 м не впливають на інтенсивність геомеханічних процесів у гірському масиві.

Рис. 2. План вимірювальної станції

Рис. 3. Графік конвергенції порід

Однак при наближенні уступу очисного вибою на відстань 20 м до вимірювальної стійки спостерігався ріст інтенсивності процесів зсуву в бічних породах. Ріст інтенсивності зсувів тривав до моменту зняття розпору з найближчої секції механізованого кріплення, розташованої вище вимірювальної станції. У момент зняття розпору в гідравлічних стійках механізованого кріплення відбувалося різке збільшення швидкості конвергенції бічних порід. При цьому максимальна швидкість конвергенції досягала значень 0,45 мм/сек. (рис. 4). Відтинок шляху комбайна довжиною 20 м вище вимірювальної стійки характеризується стрибкоподібним ростом інтенсивності конвергенції вміщуючих порід з наступним згасанням процесів зсувів в породах покрівлі й ґрунті пласта.

Рис 4. Графік залежності швидкості конвергенції в часі

На цій ділянці швидкість конвергенції бічних порід спочатку різко збільшувалася до 26 мм/хв, а потім зменшувалася до рівня, що передував початку впливу технологічних операцій очисного циклу. Віддалення технологічних процесів очисного циклу супроводжувалося зниженням інтенсивності конвергенції вміщуючих порід до первинного рівня. На ділянці очисного вибою вище вимірювальної станції виділені зони впливу виїмки вугілля комбайном, а також технологічних операцій з пересувки секцій механізованого кріплення.

Зона впливу технологічних операцій очисного циклу становила 40 м, по 20 м в обидва боки від фіксованої точки в очисному вибої. У цій зоні при виїмці вугілля і пересувці секцій механізованого кріплення відбувається до 90% зсувів, що спостерігалися за час очисного циклу.

Таблиця 1

Емпіричні залежності конвергенції, швидкості конвергенції та значення прискорення конвергенції бічних порід при застосуванні комбінованої схеми пересувки секції механізованого кріплення

Рівняння конвергенції вміщуючи порід, мм | Швидкість конвергенції вміщуючи порід, мм/сек. | Прискорення конвергенції вміщуючи порід, мм/сек2.

h=1418,17-6,57884E-005t2+0,000985713t | V=-0,000131577t+0,000985713 | -0,000131577

h=1418,08-6,03189E-005t2 | V=-0,000120638t | -0,000120638

h=1416,54-2,57343E-005t2 | V=-5,14686E-05t | -5,14686E-05

h=1410,32-0,000132565t2+0,0516553t | V=-0,00026513t+0,0516553 | -0,00026513

h=1416,97-3,28412E-005t2 | V=-6,56824E-05t | -6,56824E-05

h=-3825,75-0,0525t2+33,1705t | V=-0,105t+33,1705 | -0,105

h=2148,82+0,00662431t2-4,41947t | V=0,01324862t-4,41947 | 0,01324862

h=405,208-0,00925t2+6,10255t | V=-0,0185t+6,10255 | -0,0185

h=1413,78-2,19508E-005t2 | V=-4,39016E-05t | -4,39016E-05

h=247,748-0,00928571t2+6,57336t | V=-0,01857142t+6,57336 | -0,01857142

h=1414,99-3,30741E-005t2 | V=-6,61482E-05t | -6,61482E-05

h=816,362-0,00439286t2+3,23113t | V=-0,00878572t+3,23113 | -0,00878572

h=1643,87+0,00149152t2-1,18222t | V=0,00298304t-1,18222 | 0,00298304

h=1334,73-0,000496189t2+0,385541t | V=-0,000992378t+0,385541 | -0,000992378

h=1411,6-1,39817E-005t2 | V=-2,79634E-05t | -2,79634E-05

h=889,815-0,00272944t2+2,38074t | V=-0,00545888t+2,38074 | -0,00545888

h=1412,36-1,8269E-005t2 | V=-0,000036538t | -0,000036538

Аналіз шахтних інструментальних спостережень і отриманих значень швид-костей конвергенції вміщуючих порід показав, що до підходу технологічних операцій очисного циклу до фіксованої точки в очисному вибої роздільний вплив операцій з виїмки вугілля комбайном і пересувки механізованого кріплення встановити не уявлялось можливим. На цій ділянці зсуви не перевищують 10% абсолютних значень конвергенції в зоні впливу технологічних операцій очисного циклу.

20-метрову ділянку віддалення технологічних операцій очисного циклу від фіксованої точки в лаві можна розділити на дві зони: 1) впливу виїмки вугілля й спільного впливу операцій виїмки вугілля комбайном і 2) пересувки механізованого кріплення. Ділянка впливу технологічних операцій виїмки вугілля комбайном розташована за уступом вибою лави й становить 11-12 м. На цій ділянці відбувалося до 37% усіх зсувів у зоні впливу технологічних операцій очисного циклу або до 42% зсувів на ділянці віддалення технологічних операцій з виїмки вугілля й пересувки механізованого кріплення від фіксованої точки очисного вибою.

Ділянка спільного впливу технологічних операцій з виїмки вугілля й пересувки механізованого кріплення вище вимірювальної станції становить 8-9 м. На цій ділянці відбувалися максимальні зсуви – до 52% від сумарної конвергенції в зоні впливу операцій очисного циклу, або до 60% конвергенції на ділянці віддалення технологічних операцій від фіксованої точки очисного вибою.

Встановлено, що 90% усіх зсувів на ділянці спільного впливу технологічних операцій очисного циклу вище вимірювальної станції становили зсуви, обумовлені пересувкою секцій механізованого кріплення (рис. 3). Крім того, ця ділянка характеризується значними змінами величини конвергенції за короткий відтинок часу. Очевидно, що таке динамічне навантаження в масиві гірських порід приводить до розкриття існуючих і утворення нових тріщин, що знижує стійкість порід безпосередньої покрівлі.

На наступному етапі на кривих зсувів виділені ділянки, на яких функція монотонно убуває або зростає. Для цих ділянок обчислені значення прискорення конвергенції й побудовані графічні залежності (рис. 5). Аналіз значень прискорення конвергенції вміщуючих порід на виділених ділянках кривих зсувів показав, що до початку пересувки секцій механізованого кріплення прискорення конвергенції було близько нуля (рис. 5). Проте пересувка секцій, розташованих вище вимірювальної станції, спричиняє різкий ріст прискорення конвергенції вміщуючих порід. Крім того, зміна знака прискорення конвергенції вказує на чергування процесів стиску й розтягування у вміщуючих породах, а отже, і на зміну напружено-деформованого стану масиву гірських порід. Зміна напруги розтягування і стиску в масиві за короткий відтинок часу (18-20 сек.) призводить до руйнування масиву гірських порід і спричиняє обвалення порід покрівлі в привибійний простір.

Очевидно, що послідовна схема пересувки секцій механізованого кріплення призводить до руйнування порід безпосередньої покрівлі пласта, тим самим, спричиняючи вивалоутворення у привибійній частині лави. Аналіз існуючих схем пересувки механізованих кріплень показав, що вони не забезпечують зниження впливу деструктивних факторів на безпосередню покрівлю пласта. Тому для підвищення ефективності кріплення й управління покрівлею розроблено комбіновану схему пересувки механізованого кріплення (рис. 6).

Рис 5. Графік залежності прискорення конвергенції в часі

Рис. 6. Порядок пересувки секцій механізованого кріплення

при комбінованій схемі

Особливість комбінованої схеми, на відміну від існуючих, полягає у випереджальній пересувці секцій механізованого кріплення (за аналогією з шаховою схемою пересувки) за проходом виконавчого органу комбайна й наступною пересувкою непересунених секцій з відставанням в 1-2 секції.

При проведенні шахтних інструментальних спостережень, за погодженням з керівництвом ОП “Шахта ім. О.Ф. Засядька”, протягом зміни було виконано два заміри. Перший замір був зроблений під час виконання першого виїмкового циклу при пересувці секцій механізованого кріплення послідовно за ходом виконавчого органу комбайна. Другий замір був зроблений протягом наступного очис-ного циклу при комбінованій схемі пересувки секцій механізованого кріплення.

Дані про конвергенцію вміщуючих порід отримані в ході шахтних інструментальних замірів при пересувці секцій механізованого кріплення із застосуванням комбінованої схеми (крива 2 рис. 3), оброблені за допомогою МГОА і отримані залежності зсуву й швидкості від часу, а також значення швидкості й прискорення конвергенції (табл. 1). За результатами інструментальних спостережень і розрахунків побудовані криві швидкості й прискорення конвергенції (крива 2, рис. 4, 5 ).

Встановлено, що зсув гірських порід у зоні впливу технологічних операцій виїмки вугілля і пересувки механізованого кріплення для комбінованої й послідовної схеми пересувки секцій кріплень (рис. 3) аналогічні й становлять не більше 20 мм. Однак, загальні зсуви при застосуванні комбінованої схеми пересувки секцій менше, ніж при послідовній пересувці секцій механізованого кріплення й, відповідно, становлять 9,6 і 17,5 мм.

Доведено, що поза зоною впливу технологічних операцій очисного циклу, тобто на відстані понад 20 м від фіксованої точки очисного вибою, при комбінованій й послідовній схемах, інтенсивність конвергенції незначна. На 20-метровій ділянці зони впливу технологічних операцій очисного циклу, при підході до фіксованої точки в очисному вибої процесів виїмки вугілля й пересувки секцій кріплення (120-та сек., рис. 3), зсуви бічних порід аналогічні.

При послідовній пересувці секцій механізованого кріплення слідом за ходом комбайна й комбінованій схемі пересувки максимальна інтенсивність зсувів спостерігається під час зняття розпору з першої секції, що пересувається й розташована вище вимірювальної станції (відповідає зняттю розпору секції, 315-320 сек., рис. 3). Проте при застосуванні комбінованої схеми пересувки механізованого кріплення інтенсивність конвергенції бічних порід значно менше, ніж при схемі з послідовною пересувкою секцій. Аналіз графіка (рис. 5) показав, що значення прискорення конвергенції вміщуючих порід при послідовній схемі пересувки більше, ніж при пересувці секцій з використанням комбінованої схеми.

Виходячи з того, що межа міцності на розтягування для алевролітів і аргілітів, що утворюють покрівлю вугільного пласта, значно менше межі міцності на стиск, доцільно зробити оцінку стійкості з урахуванням мінімального значення межі міцності на розтягування, що становить р = 3 МПа. Для послідовної пересувки секцій механізованого кріплення напруги розтягування, становлять 3,075 МПа, а для комбінованої схеми пересувки секцій кріплення – 2,936 МПа.

Очевидно, що при послідовній пересувці секцій механізованого кріплення ймовірність вивалоутворення у привибійному просторі лави вище, ніж при пересув-ці секцій за комбінованою схемою. Збільшення значень прискорення конвергенції вміщуючих порід при використанні послідовної схеми пересувки секцій указує на те, що зміни напружно-деформованого стану масиву гірських порід більше порівняно з комбінованою схемою пересувки секцій. Отже, прискорення конвергенції вміщуючих порід може бути використано як критерій напружно-деформованого стану масиву.

У четвертому розділі розроблено заходи щодо підвищення ефективності використання устаткування, яке входить до складу механізованого комплексу 3МКД-90 в 17-й східній лаві пласта m3. Аналіз процесу переміщення окремої секції показав, що максимальний час, затрачуваний на переміщення секції в нове місце, становить 26 сек. Збільшення швидкості переміщення технологічних операцій з кріплення й керування покрівлею обмежено схемою пересувки, при якій секції повинні пересуватися по черзі. Єдиним можливим способом підвищення інтенсивності технологічних операцій виїмкового циклу є збільшення швидкості виїмки вугілля за рахунок оптимізації процесу кріплення й керування покрівлею.

При виконанні шахтних інструментальних спостережень, за погодженням з керівництвом ОП “Шахта ім. О.Ф. Засядька”, була проведена дослідно-експериментальна апробація комбінованої схеми пересувки секцій механізованого кріплення. Аналіз отриманих хронометражних даних показав, що при застосуванні комбінованої схеми пересувки механізованого кріплення, швидкість переміщення технологічних операцій з виїмки вугілля знаходилась у межах 4,6-5,4 м/хв. Максимальна швидкість досягала 5,6 м/хв. При цьому розрахункова швидкість переміщення технологічних операцій з пересувки механізованого кріп-лення становила 6,9 м/хв. Фактична швидкість переміщення операцій уздовж вибою лави відповідала швидкості комбайна. При безаварійній роботі очисного вибою добове просування лави становило 6,3 м, а кількість циклів на добу збільшилася з 7-8 до 9. Просування вибою за місяць досягає 170 м. Крім того, при проведенні експерименту скоротилася кількість обвалень у привибійному просторі.

Розрахунки витрат часу на виконання очисного циклу й добових навантажень на очисний вибій показав, що при застосуванні комбінованої схеми пересув-ки секцій механізованого кріплення досягається підвищення швидкості виконання технологічних операцій виїмки вугілля, кріплення і керування покрівлею. Швидкість просування очисного вибою збільшилася з максимально можливих 145 м/міс. при базовому варіанті, до 170 м/міс. при застосуванні комбінованої схеми пересувки секцій.

На підставі експериментального апробування нової схеми пересувки секцій механізованого кріплення, а також аналізу шахтних інструментальних спостережень були розроблені “Рекомендації щодо підвищення ефективності комплексно-механізованої технології ведення робіт на великих глибинах і високій швидкості просування очисного вибою”. “Рекомендації” впроваджені на ОП “Шахта ім. О.Ф. Засядька” при доробці частини стовбура 17-ї східної лави пласта m3. з 1 жовтня по 24 січня 2006 р. Застосування рекомендацій дозволило досягти підвищення видобутку вугілля з 85743 т/міс. при базовому варіанті до 96461 т/міс. при використанні комбінованої схеми пересувки механізованого кріплення. З урахуванням збільшення штату співробітників видобувної ділянки, обсягів робіт і витрат на матеріали, розрахунковий економічний ефект за період доробки виїмкового стовбура лави відповідно до запропонованих рекомендацій, становив 104074,4 грн.

Таким чином, упровадження на вуглевидобувних підприємствах, які ведуть гірничі роботи на великих глибинах, комбінованої схеми пересувки секцій механізованого кріплення дозволяє збільшити навантаження на очисний вибій, скоротити кількість обвалень породи в привибійній частині лави, підвищити якість вугілля, що добувається, скоротити витрати на збагачення й збільшити прибутковість підприємства.

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій вирішена актуальна науково-технічна задача, що полягає у подальшому розвитку теорії зсувів гірського масиву при підробітку його лавами на глибоких горизонтах, розробці і обґрунтуванні нової схеми пересувки секцій механізованого кріплення, що дозволило підвищити ефективність комплексно-механізованої технології ведення очисних робіт на великих глибинах.

Основні наукові результати і висновки, одержані при виконанні роботи, полягають у наступному:

1. На основі аналітичних досліджень встановлено, що розвиток деформацій у гірському масиві й осідання земної поверхні відбуваються з прискоренням (уповільненням) протягом всього періоду розробки, при цьому зміни знака швид-кості розвитку деформацій в масиві гірських порід і прискорення осідань земної поверхні вказують на зміну напруг стиску і розтягування.

2. Встановлена нова емпірична залежність швидкості деформацій масиву гірських порід від глибини розробки і швидкості просування очисного вибою, яка дозволяє прогнозувати швидкість розвитку деформаційних процесів в порідній товщі до глибин 1500 м і швидкості просування очисного вибою до 150 м/міс. Ця залежність є подальшим розвитком уявлень про зміну напружено-деформованого стану гірського масиву при розробці високопродуктивними лавами на великих глибинах.

3. За результатами шахтних інструментальних спостережень в 17-й східній лаві пласта m3 ОП “Шахта ім. О.Ф. Засядька” отримані залежності швидкості конвергенції бічних порід, які дозволили встановити, що пересування секції механізованого кріплення спричиняє чергування напруг стиску і розтягування в масиві гірських порід, при цьому швидкість конвергенції досягає максимального значення 27 мм/хв, а прискорення – 450 мм/хв2 у час зняття розпору секції.

4. Встановлена зона максимальної впливу технологічних операцій виїмки вугілля і пересувки секцій механізованого кріплення – 40 м очисного вибою, по 20 м в обидва боки від місця виїмки в лаві. У цій зоні відбувається до 90% зсувів за період очисного циклу, причому на 20-метровій ділянці попереду місця виїмки в лаві виникають до 10% загальних зсувів у зоні впливу технологічних операцій, а 90% зсувів – на 20 м позаду місця виїмки вугілля.

5. Встановлено, що при послідовній пересувці секцій механізованого кріплення зняття розпору з кожної наступної секції приводить до багаторазової зміни напруг стиску і розтягування в бічних породах зі зменшенням амплітуди, а прискорення конвергенції при цьому набуває значення від –0,128 до 0,0224 мм/сек2.

6. Аналіз даних про конвергенцію вміщуючих порід при використанні комбінованої схеми пересувки секцій механізованого кріплення показав, що прискорення конвергенції набуває меншого максимального значення, ніж при послідов-ній пересувці секцій, і змінюється від –0,105 до 0,0132 мм/сек2, що спричиняє зменшення інтенсивності впливу операцій виїмки вугілля і пересувки секцій кріплення на геомеханічні процеси у вміщуючих породах.

7. Використовування прискорення конвергенції вміщуючих порід як критерію зміни напружено-деформованого стану гірського масиву дозволило розробити нову комбіновану схему пересувки секцій механізованого кріплення, яка пройшла експериментальну апробацію в 17-й східній лаві пласта m3 ОП “Шахта ім. О.Ф. Засядька”. Розроблені і затверджені “Рекомендації щодо підвищення ефективності комплексно-механізованої виїмки вугілля високопродуктивними очисними вибоями на глибоких горизонтах”, упровадження яких забезпечило розрахунковий економічний ефект 104074,4 грн.

Наукові положення й основні результати дисертації опубліковані в наступних роботах автора:

1. Савенко А.В. Оценка напряженно-деформированного состояния массива горных пород по величине ускорения конвергенции // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. / Ин-т геотехнической механики им. М.С. Полякова НАН Украины. – Вып. 65. – Днепропетровск, 2006.– С. 156-166.

2. Савенко А.В. Шахтные исследования конвергенции вмещающих пород в действующих очистных забоях // Физико-технические проблемы горного производства: Зб. наук. пр. / Ін-т фізики гірничих процесів НАН України – Вип. 8. – Донецьк, 2005. – С. 164-170.

3. Савенко А.В. Принятие управленческих решений на АП “Шахта им. А.Ф. Засядько” с использованием усовершенствованной локальной информационной сети // Проблеми державного управління розвитком промислового потенціалу регіону: Зб. наук. пр. / Донецький державний університет управління. T. V. – Вип. 39. – Донецьк: Апекс; ДонДУУ, 2004. – С. 8-23.

4. Савенко А.В. Обоснование схемы передвижки секций механизированной крепи // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. / Институт физики горных процессов НАН Украины. – Вып. 9. – Донецк, 2006. – С. 172-179.

5. Антипов И.В., Савенко А.В., Сухаревский Э.Ю. Комплексные натурные исследования в 17-й восточной лаве пласта м3 АП “Шахта им. А.Ф. Засядько” // Проблеми гірського тиску: Зб. наук. пр. / Донецький національний технічний університет. – Вип. 13. –