МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ФОМИЧОВ Вадим Володимирович

УДК 622.831.312

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ УПРАВЛІННЯ

ШАРУВАТИМ МАСИВОМ НАВКОЛО ВИЇМКОВИХ ВИРОБОК

Спеціальність: 05.15.02 – Підземна розробка родовищ

корисних копалин

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2008

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор,

професор кафедри підземної розробки родовищ

Національного гірничого університету

Міністерства освіти і науки України
(м. Дніпропетровськ) | КОВАЛЕВСЬКА

Ірина

Анатоліївна

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, доцент,

завідувач кафедри маркшейдерської справи Донецького національного університету

Міністерства освіти і науки України |

ГРИЩЕНКОВ

Микола

Миколайович

кандидат технічних наук, заступник технічного директора ВАТ «Павлоградвугілля»
Міністерства вугільної промисловості
України (м. Павлоград) |

ЧЕРВАТЮК

Віктор

Григорович

Захист відбудеться «16» травня 2008 р. о 1230 годині на
засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03 із захисту дисертацій при
Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки
України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, пр. К.Маркса,19,
тел.(0562)47-24-11

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України.

Автореферат розісланий «11» квітня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03,

кандидат технічних наук, доцент В.І. Тимощук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Стабільність функціонування вугільної шахти багато в чому визначається станом підземних гірничих виробок, серед яких у найбільш складних (з погляду інтенсивності проявів гірського тиску) умовах експлуатуються виїмкові виробки, що перебувають у безпосередньому технологічному зв'язку з очисними роботами. Ця група виробок уже за своїм призначенням розміщується в досить різнорідній за властивостями шаруватій геологічній структурі, яка для умов шахт Західного Донбасу ще відрізняється і слабкими породами. Тому забезпечення належного експлуатаційного стану виїмкових виробок шахт Західного Донбасу є важливим технічним завданням.

У поняття «експлуатаційний стан виробки» фахівці вкладають комплекс питань, пов'язаних у першу чергу зі стійкістю кріплення виробки, що забезпечує безпеку проходження людей і транспортних засобів, надійність схем провітрювання ділянок шахтного поля. На підставі врахування цих факторів проектувальниками приймається рішення про вибір найбільш раціонального типового перерізу виробки, для чого необхідно досить надійно спрогнозувати епюру переміщень будь-якої точки її контура й оцінити дотримання комплексу конструктивно-технологічних норм і вимог правил безпеки. На цей же час при виборі типового перерізу виробки за нормативними документами прогноз переміщень її контура здійснюється в інтегральній формі, тобто переміщення приймаються усередненими й постійними за всією шириною покрівлі, підошви й висоти боків без урахування реально існуючої нерівномірної епюри переміщень породного контуру на кожній із цих ділянок, що не дозволяє прогнозувати пластичне деформування окремих перевантажених ділянок рами, а отже, й передбачити відповідні технічні рішення з додаткового підсилення рамного кріплення, наприклад, анкерами або іншими відомими способами.

Тому розробка методики розрахунку епюри переміщень контура кріплення виробки, розташованої в шаруватому масиві слабких порід, для комплексної оцінки її експлуатаційного стану й прогнозу (виявлення) на цій основі ділянок по контуру рами із граничним (позамежним) станом її матеріалу є, безумовно, актуальним завданням підвищення стійкості виїмкових виробок.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконана на кафедрі підземної розробки родовищ Національного гірничого університету відповідно до «Положення концепції наукової, науково-технічної та інноваційної політики в системі вищої освіти України», ухваленого колегією Міністерства від 28 березня 2001 року, планів держбюджетних робіт Міністерства освіти і науки України: тема ГП-346 «Наукові основи геомеханіки зміцнення слабких порід навколо гірничих виробок», № держреєстрації 0105U000500; тема ГП-380 «Геомеханічні основи механізованих процесів керування стійкістю підготовчих виробок при безціликовому вийманні вугільних пластів», № держреєстрації 0106U001372; тема ГП-391 «Наукові основи прогнозу стійкості виробок у дрібношаруватому масиві з урахуванням прогресивних систем розробки», № держреєстрації 0107U000375, які відповідають координаційному плану Міністерства освіти і науки України фундаментального напряму «Гірничі науки».

Мета роботи – обґрунтування параметрів керування проявами гірського тиску в системі «шаруватий масив-кріплення виїмкової виробки» на основі виявлення закономірностей переміщень будь-якої точки її контура.

Реалізація поставленої мети досягається шляхом послідовного вирішення наступних основних завдань у постановці:– 

обґрунтувати просторову модель зрушення шаруватого масиву слабких порід навколо виїмкової виробки для умов вугільних пластів Західного Донбасу;– 

провести комплексне дослідження напружено-деформованого стану (НДС) системи «шаруватий масив-кріплення виїмкової виробки» за повною діаграмою деформування кожного зі складових її елементів і оцінити вірогідність отриманих результатів;– 

розробити методику прогнозу епюри переміщень контура кріплення виробки й виконати її порівняльний аналіз із методиками діючих нормативних документів.

Поставлена мета й завдання досліджень реалізовані керуючись основною ідеєю роботи – спільне урахування повних діаграм деформування кожного з елементів системи «шаруватий масив-кріплення виїмкової виробки» і порушених контактів між шарами вуглевміщуючої товщі слабких порід при прогнозуванні епюри переміщень контура кріплення виїмкової виробки.

Об'єкт дослідження – геомеханічні процеси в системі, що містить шаруватий масив слабких порід навколо виїмкової виробки, рамне кріплення з міжрамним захисним засобом і забутований закріпний простір.

Предмет дослідження – силова взаємодія в домежовому, граничному й позамежному станах елементів системи «шаруватий масив-кріплення виїмкової виробки».

Методи дослідження – поставлена мета досягнута на основі комплексного підходу, що включає: аналіз і узагальнення сучасних експериментальних, аналітичних і чисельних методів досліджень процесів взаємодії кріплення підземних виробок із вуглевміщуючим породним масивом; комп'ютерне моделювання взаємодії елементів системи «шаруватий масив-кріплення виїмкової виробки» у домежовому, граничному й позамежному їх станах із залученням методу кінцевих елементів при дослідженні НДС системи; метод кореляційно-дисперсійного аналізу результатів математичного експерименту в розв’язаннях прикладних задач; тестування результатів математичних експериментів за даними натурних досліджень.

Наукові положення, що захищаються в дисертації:

1. Порушені контакти між шарами слабких порід вуглевміщуючої товщі навколо виробки генерують активний розвиток переміщень контура її кріплення до 320…440 мм уже на глибинах м зі степеневою закономірністю росту при збільшенні глибини розробки, в якій функція – співмножник і показник степеня залежать від механічних характеристик тільки прилеглих породних шарів. Це дозволяє при прогнозі епюри переміщень контура кріплення виїмкових виробок ураховувати механічні характеристики винятково першого і другого породних шарів покрівлі й першого шару підошви;

2. Підвищені опори стиску й модуль деформації другого породного шару покрівлі інтенсифікує розвиток зближення стояків рамного кріплення за степеневою і експонентною залежностями відповідно, що розкриває механізм дії «ефекту штампа» у зоні опорного тиску в боках виробки. Це є основою для обґрунтування параметрів керування процесами переміщень стояків рами.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Уперше обґрунтована просторова геомеханічна модель зрушення навколо виїмкової виробки шаруватого масиву слабких порід із урахуванням кінцево-елементної побудови реальних геометричних параметрів рамного кріплення, підп'ятників, затяжки й закріпного простору з відповідними умовами їх контакту.

2. Розроблено новий алгоритм розрахунку НДС системи «шаруватий масив-кріплення виїмкової виробки», що одночасно враховує: змінні механічні характеристики шаруватого масиву слабких порід як у домежовому, так і позамежному станах; експериментально встановлену нелінійну характеристику забутованого матеріалу в закріпному просторі; повну діаграму деформування матеріалів рамного кріплення й затяжки.

3. Уперше створена методика прогнозу епюри переміщень контура кріплення виїмкової виробки, що враховує найбільш характерну для вугільних пластів Західного Донбасу структуру розшарівної шаруватої вуглевміщуючої товщі, а також геометрію типових перерізів виробок.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій обумовлена: коректною постановкою й розв’язанням завдань із використанням фундаментальних положень механіки твердого деформівного тіла, будівельної механіки, методів кінцевих елементів і кореляційно-дисперсійного аналізу; порівняльним аналізом із широко апробованими нормативними методиками прогнозу проявів гірського тиску в підземних виробках вугільних шахт Донбасу й експериментальних шахтних досліджень.

Наукове значення роботи полягає: у встановленні закономірностей впливу механічних характеристик у домежовому і позамежному станах кожного із прилеглих породних шарів на зміну НДС системи «шаруватий масив-кріплення виїмкової виробки»; у виявленні закономірності зміни переміщень будь-якої точки контура кріплення виїмкової виробки залежно від механічних характеристик системи й виду стану її елементів.

Практичне значення роботи полягає: в обґрунтуванні геомеханічної моделі зсування шаруватого вуглевміщуючого масиву слабких порід навколо виїмкової виробки, що реалізована за допомогою пакета сучасних комп'ютерних програм і їхніх додатків; у розробці методики прогнозу епюри переміщень контура кріплення виїмкової виробки.

Реалізація результатів роботи. Основні положення роботи використані при створенні методики розрахунку епюри переміщень контура кріплення виїмкових виробок і розробці проектної документації проведення та закріплювання виробок на шахтах ВАТ «Павлоградвугілля».

Особистий внесок здобувача полягає в: аналізі стану виробок вугільних шахт і сучасних методик прогнозу проявів гірського тиску; постановці завдань досліджень; обґрунтуванні й розробці комп'ютерної геомеханічної моделі зсування шаруватого масиву навколо виїмкової виробки; проведенні комплексу обчислювальних експериментів, їх аналізі й побудові кореляційних залежностей; формулюванні висновків за результатами досліджень і складанні висновку.

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертації доповідалися й обговорювалися на міжнародних конференціях «Форум гірників-2006» і «Форум гірників-2007» (Дніпропетровськ, 2006 і 2007); XVI міжнародній науковій школі «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках» (Алушта, 2006); ); International Mining Forum, Technical, Technological and Economic Aspects of Thin-Learns Coal Mining (Poland, 2007); міжнародній науково-практичній конференції «Школа подземной разработки» (Ялта, 2007); технічних радах ВАТ «Павлоградвугілля» і ДП «Свердловантрацит» (2007-2008); наукових семінарах НГУ ( 2006-2008).

Публікації. Основні наукові положення та результати дисертаційної роботи викладені в 3 монографіях, 1 брошурі, 5 статтях у науково-технічних журналах і 6 доповідях на міжнародних конференціях.

Обсяг і структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, висновку й переліку використаних джерел із 133 найменувань на 12 сторінках; містить 100 сторінок машинописного тексту, 72 рисунка на 71 сторінці, 5 таблиць і додаток на 12 сторінках; загальний обсяг роботи – 195 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Завдання прогнозу проявів гірського тиску навколо підземної виробки має практично понад вікову історію й активно вдосконалюється дотепер у напрямку більш адекватного відбиття реальних геомеханічних процесів. У його вирішення внесли значний вклад учені й фахівці провідних науково-дослідних, навчальних, проектно-конструкторських і виробничих організацій: НГУ, ІГТМ НАН України, ДонВУГІ, ДонНТУ, ДВАТ «Дніпро-діпрошахт», ВАТ «Павлоградвугілля», ДонГТУ, КТУ, МДГУ, ВНДМІ, СПбГУ, ІГС СВ РАН та ін.

Висока інтенсивність проявів гірського тиску на шахтах Західного Донбасу пов'язується фахівцями зі слабкими міцнісними властивостями порід шаруватої вуглевміщуючої товщі, а перспективи розвитку цього регіону з розширенням освоєння родовища вугілля в західному напрямку й переходом на більш глибокі горизонти в діючих шахтах з ускладненням гірничо-геологічних умов однозначно вказують на зростаючу актуальність прогнозування стану масиву навколо виробки для обґрунтованого прий-няття технічних рішень щодо забезпечення надійного її функціонування.

З іншого боку, існуючі нормативні методики розрахунку прояву гірського тиску (в яких накопичені й систематизовані результати великих експериментальних досліджень) спрямовані, в остаточному підсумку, на вибір кріплення гірничої виробки, що забезпечує її стійкість, а прогнозування рівномірного по ділянках породного контура виробки (покрівля, боки, підошва) переміщення не відповідає спостережуваній в шахтних умовах істотно нерівномірній епюрі зсувів порід на цих ділянках. Завдання ставиться більш комплексно – прогнозувати в цілому експлуатаційний стан пластової виробки, де оцінка її стійкості є лише одним із факторів. Не менш важливою є оцінка надійності й безпеки проходження людей і транспортних засобів, схем провітрювання відповідних ділянок шахтного поля. Зазначені фактори вимагають прогнозування переміщень не окремих ділянок породного контура виробки, а епюри переміщень її внутрішнього контура в будь-якій точці периметра. Тоді виконання будь-якої вимоги експлуатаційних норм і правил безпеки легко оцінити при порівнянні прогнозованих епюр переміщень внутрішнього контура виробки й розмірів конкретного типового перерізу з відповідними нормованими зазорами, відстанями й площами поперечного перерізу.

Така комплексна постановка завдання вимагає максимально адекватного відбиття процесів зсування шаруватого масиву слабких порід навколо виїмкової виробки, а саме: урахування спільності деформування масиву й кріплення реальної просторової геометрії з міжрамним захисним засобом і забутованим закріпним простором; моделювання максимально наближеної до існуючої структури шаруватої вуглевміщуючої товщі з неоднорідними механічними характеристиками й порушеними контактами між шарами навколо виробки; урахування параметрів повної діаграми деформування кожного з елементів системи «шаруватий масив-кріплення виїмкової виробки».

Проведений аналіз існуючих підходів до розрахунку НДС системи й методів оцінки стійкості виробки дозволив зробити вибір на користь математичного апарата методу кінцевих елементів (МКЕ) із сучасними комп'ютерними програмами та їхніми додатками й виробити системну методологію реалізації мети досліджень (рис. 1):

Рис. 1. Загальна структурно-логічна схема проведення досліджень–

блок I спрямований на дослідження НДС системи, виявлення закономірностей зв'язку поля напружень і переміщень з її гірничо-геологічними й гірничотехнічними параметрами; обґрунтування комплексу критеріїв оцінки експлуатаційного стану виробки;–

блок II покликаний довести результати досліджень до практичних рекомендацій на основі статистичної обробки масиву даних обчислювального експерименту, побудови емпіричних багатофакторних залежностей та їх узгодження з комплексом параметрів оцінки стану пластової виробки.

При вирішенні першого завдання отримані наступні результати:–

для умов шахт Західного Донбасу обґрунтований весь комплекс вихідних гірничо-геологічних і гірничотехнічних параметрів для максимально достовірного моделювання процесів зсувів шаруватої вуглевміщуючої товщі навколо пластової виробки. Розміри моделі вибрані з урахуванням несуттєвого впливу виробки на її межах, де виконуються вихідні негідростатичні умови розподілу вертикальних і горизонтальних компонент напружень. Установлено, що при слабких зв'язках між сусідніми шарами діючі дотичні напруження їх руйнують навколо виробки, і суміжні породні шари деформуються з проковзуванням один відносно одного. Цей фактор істотно змінює поле напружень і врахований у розробленій моделі, тестування якої на предмет відповідності результатів розрахунку сучасним уявленням геомеханіки зсування масиву навколо виробки підтвердило доцільність використання моделі;–

за стратиграфічними стовпчиками вугільних пластів побудовано три найбільш характерних (87...92% випадків) структури вуглевміщуючої товщі, аналіз поля напружень в яких дозволив з достатньою для гірничотехнічних розрахунків точністю обґрунтувати єдину усереднену структуру (рис. 2), похибка якої не перевищує 10% у всьому діапазоні зміни геомеханічних параметрів вмісного масиву. Зроблено розрахунок групи тестових моделей по варіантах розміщення виробки відносно вугільного пласта й інших фіксованих параметрах для вибору їхніх значень, що формують НДС системи в межах допустимої похибки;–

оцінено вплив деформаційних характеристик прилеглих породних шарів на НДС системи й установлено, що незважаючи на їхні різні сполучення (27 варіантів) у покрівлі й підошві пластової виробки розміри зон граничного стану (в основному від дії розтягальних і напружень) досить стабільні й охоплюють два породних шари в покрівлі й один – у підошві. У боках виробки спостерігається яскраво виражена область опорного тиску від дії стискаючих напружень, розміри якої визначаються глибиною розробки й міцнісними характеристиками прилеглих породних шарів. У рамному кріпленні зниження наведених напружень (за якими проводиться її міцнісний розрахунок) відбувається у випадку залягання в безпосередній покрівлі хоча б одного породного шару підвищеної твердості.

Друге завдання досліджень виконане за умови порушених контактів між шарами й моделювання повних діаграм деформування всіх складових елементів системи: для кожного з породних шарів і вугільного пласта моделі використана повна діаграма, що складається з трьох лінійних ділянок (пружно-пластична стадія з модулем деформації , знеміцнювання з модулем спаду , розпушення на стадії «руїнного» руйнування із залишковою міцністю ); для рамного кріплення використана реальна діаграма навантаження сталі Ст5, що враховує площадку текучості й стадію зміцнення; повна діаграма породного забутовування в закріпному просторі визначена на основі існуючих шахтних експериментів. Виконано комплекс розрахунків по 27 варіантах сполучень модуля деформації прилеглих породних шарів, 27 варіантах сполучень розрахункового опору порід стиску , 64 варіантах сполучень параметрів і (індекси , … – номера породних шарів, починаючи від вугільного пласта, а індекси « і » означають приналежність шарів до покрівлі або підошви). Внаслідок досліджень отримані наступні результати:–

визначальним фактором впливу на зміну поля напружень і переміщень із ростом глибини розташування виробки є вид стану прилеглих породних шарів і вугільного пласта (домежовий, граничний, позамежний) при конкретній величині : при підвищених міцнісних характеристиках прилеглих породних шарів їх частково домежовий стан визначає зв'язок напружень і переміщень із параметром , близький до лінійного; варіація в інтервалі (0,3...1)·104 МПа змінює напруження до 55%, а переміщення до 131%; при знижених міцнісних характеристиках залежність НДС масиву від параметра Н стає істотно нелінійною з настанням граничного стану одного із прилеглих породних шарів, у позамежному стані ріст переміщень підсилюється, а напруження зменшується. При цьому деформаційні характеристики шарів несуттєво впливають на поле напружень, а зсуви контура виробки, особливо в її підошві, можуть змінюватися до 2,5 разів, і в деяких варіантах на глибинах м відбувається заповнення знеміцненою породою значної порожнини виробки;–

НДС рамного кріплення й закономірності його зміни з ростом є нелінійними, особливо при переході прилеглих породних шарів у позамежний стан; загасання росту функції обумовлено появою й збільшенням зон пластичних деформацій у рамі. Цей процес стабільно починається в нижній частині стояків рами (вони вигинаються в порожнину виробки) і поширюється з ростом майже на весь її контур (за винятком локальних областей домежового стану у склепінні); утворення системи пластичних шарнірів по контуру рамного кріплення сприяє (у низці варіантів) розвитку таких її переміщень, які виключають можливість подальшої експлуатації виробки;–

завдяки проковзуванню сусідніх породних шарів відносно один одного виявлена достатня незалежність поля напружень породного шару від виду стану сусідніх шарів: у шарах з більш високими міцнісними характеристиками поле напружень малою мірою залежить від переходу сусіднього шару в граничний (позамежний) стан; шари зниженої міцності з ростом переходять у граничний стан практично незалежно від міцнісних характеристик сусідніх більш міцних породних шарів; поле напружень у вугільному пласті, другому шарі підошви та третьому шарі покрівлі досить стабільне стосовно виду стану якого-небудь прилеглого породного шару.

На відміну від поля напружень, поле переміщень, особливо епюра зсуву контура кріплення виробки, тісно пов'язане з механічними характеристиками не тільки досліджуваного породного шару, але й сусідніх шарів.

1. На величину опускання замка склепіння рами найбільш суттєво впливають механічні характеристики першого і другого породних шарів покрівлі (у дослідженому інтервалі їх зміни): – до 69%, – до 11%, – до 5,52 разів, – до 2,07 разів, – до 2,0 разів, – до 10,8%, – до 59%. Зазначені параметри необхідно враховувати під час розробки методики прогнозу переміщення замка склепіння рами в порожнину виробки.

2. Вертикальні переміщення склепіння рами виробки в зоні проходження людей становлять 64...71% від величини опускання замка склепіння кріплення, що вказує на його виположування й, відповідно, зниження несучої здатності рамного кріплення. Величина вертикальних переміщень склепіння в зоні проходження людей може досягати 400…500 мм (іноді більше), що в ряді випадків призводить до порушення вимог правил безпеки. Суттєво впливають на величину переміщень наступні механічні характеристики прилеглих породних шарів вуглевміщуючої товщі: – до 2 разів, – до 8,14 разів, – до 52%, спільний вплив параметрів і позамежного стану першого породного шару покрівлі – до 3,66 разів.

3. Вирішальний вплив на розвиток бічних переміщень рами в зоні проходження людей (крім глибини розробки) роблять наступні механічні характеристики прилеглих породних шарів вуглевміщуючої товщі: – до 2,01 разів, – до 23,9%, – до 15,2%, – до 6,08 разів, – до 32,3%, – до 41,3%, – до 53,6%, – до 74,2 % у досліджуваному діапазоні їх зміни, характерному для вуглевміщуючої товщі вугільних пластів Західного Донбасу. Зазначені характеристики обов'язкові до урахування під час прогнозу бічних переміщень рами виїмкової виробки в зоні проходження людей.

4. Установлено, що величина зближення опор стояків рамного кріплення визначається механічними характеристиками тільки перших породних шарів покрівлі й підошви вугільного пласта: – до 23,4%, – до 2,01 разів, – до 84%, – до 6,73 разів, – до 62,5%, – до 18%, – до 62,2%. Виявлений «ефект штампа», коли у варіантах більш цілісного й твердого першого породного шару покрівлі він під дією опорного тиску інтенсифікує переміщення порід підошви в районі опор стояків рамного кріплення в порожнину виробки.

Таким чином, у формуванні переміщень розглянутих ділянок контура кріплення виробки беруть участь, як правило, всі механічні характеристики повної діаграми деформування породного шару, що примикає до розглянутої ділянки – деформаційні характеристики впливають до 100…150%, а міцнісні – до 6…8 раз у дослідженому діапазоні їх зміни ( МПа, ,  МПа, ), характерному для вуглевміщуючої товщі Західного Донбасу; з механічних характеристик сусідніх шарів суттєво впливають переважно й , а параметри позамежного стану впливають меншою мірою; виявлені особливості розвитку переміщень у боках і підошві виробки, охарактеризовані як дія «ефекту штампа», коли більш тверді й менш знеміцнені верхні породні шари (у тих варіантах, де це має місце) в сукупності з вугільним пластом інтенсифікують («видавлюють») процес переміщень боків і підошви в порожнину виробки; цей ефект фахівцями відзначався раніше в якісному плані, тепер отримані конкретні кількісні закономірності.

Третє завдання досліджень реалізоване на базі встановлених закономірностей за допомогою кореляційно-дисперсійного аналізу результатів розрахунку НДС системи «шаруватий масив-кріплення виїмкової виробки» за сформованою багатофакторною базою великого масиву різних варіантів сполучень геомеханічних параметрів.

У підсумку отримані рівняння регресії для розрахунку переміщень ділянок внутрішнього контура кріплення виробки, за якими оцінюється її експлуатаційна придатність:

1. Опускання склепіння кріплення виробки в зоні проходження людей

, (1)

де – для кріплення КМП-А3-11,2; – для кріплення КШПУ-11,7; – для кріплення КШПУ-14,4.

2. Горизонтальне переміщення рамного кріплення в зоні проходу людей на висоті 1,8 м від настилу

, (2)

де – для кріплення КМП-А3-11,2; – для кріплення КШПУ-11,7; – для кріплення КШПУ-14,4.

3. Опускання замка склепіння кріплення виробки

. (3)

4. Горизонтальні переміщення стояків рами поблизу опор

, (4)

де – для кріплення КМП-А3-11,2; – для кріплення КШПУ-11,7; – для кріплення КШПУ-14,4.

У виразах (1)-(4) механічні характеристики породних шарів підставляються в МПа, – у метрах, – у квадратних метрах; результат обчислення переміщень має розмірність міліметри.

Оцінка вірогідності методу прогнозу переміщень внутрішнього контура кріплення виробки виконана за параметрами і , порівнюваними з відповідними рівномірно розподіленими переміщеннями в покрівлі й боках за діючими нормативними методиками і найбільш відомими аналітичними методами розрахунку відносно повної діаграми деформування породи. Порівняльний аналіз показав (рис. 3 і 4), що завдяки урахуванню основних механічних характеристик повної діаграми деформування всіх елементів системи, пропонована методика має більш високу спільність прогнозу переміщень контура кріплення виїмкової виробки й дозволяє на стадії проектування спрогнозувати її стан і закласти в проект (за необхідності) виконання спеціальних заходів для підвищення стійкості.

Підсумковий результат досліджень представлений у дисертації алгоритмом багатофакторної оцінки запроектованого типового перерізу виїмкової виробки в конкретних гірничо-геологічних і гірничотехнічних умовах її експлуатації.

Розроблена методика прогнозу переміщень контура кріплення виїмкової виробки, розташованої в шаруватому масиві слабких порід, прийнята до використання на шахті «Степова» ВАТ «Павлоградвугілля».

ВИСНОВКИ

У дисертації, що є завершеною науково-дослідною роботою, надане нове вирішення важливого науково-технічного завдання забезпечення надійної й безпечної експлуатації виїмкових виробок за рахунок підвищення вірогідності прогнозу проявів гірського тиску неоднорідного вуглевміщуючого масиву слабких порід по всьому контуру кріплення виїмкової виробки з урахуванням повних діаграм деформування кожного з елементів системи «шаруватий масив-кріплення виїмкової виробки».

Основні наукові й практичні результати роботи полягають у наступному:

1. Обґрунтування геомеханічної моделі виїмкових виробок, розташованих у шаруватому масиві слабких порід, проведено за комплексом основних гірничо-геологічних і гірничотехнічних факторів, що дозволило максимально адекватно реальним умовам змоделювати процес переміщення неоднорідної шаруватої вуглевміщуючої товщі в порожнину виробки за допомогою сучасних комп'ютерних програм МКЕ.

2. У шаруватій товщі слабких порід, що містяться у виїмковій виробці, перехід у граничний та позамежний стани настає в різних областях і елементах системи «шаруватий масив-кріплення виїмкової виробки». Тому для підвищення адекватності геомеханічної моделі НДС кожного її елемента повинне розраховуватися по повній діаграмі деформування з урахуванням особливостей конкретного матеріалу, що вперше виконано для гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов Західного Донбасу та дозволяє глибше розкрити механізм розвитку геомеханічних процесів навколо виїмкової виробки.

3. Уперше встановлені роздільні закономірності впливу міцнісних і деформаційних характеристик кожного із прилеглих породних шарів на зміну поля напружень і переміщень з ростом глибини розташування виїмкової виробки. Визначальним фактором є вид стану й розміри його області в прилеглих породних шарах і вугільному пласті (домежовий, граничний, позамежний) при конкретній глибині розробки. Доведено, що для підвищення вірогідності прогнозу проявів гірського тиску необхідно враховувати комплекс механічних характеристик як домежового, так і позамежного стану масиву.

4. Виявлено, що відносна незалежність деформування породних шарів при їх проковзуванні один відносно одного навколо виробки породжує високий ступінь незалежності поля напружень окремого породного шару від виду стану сусідніх шарів, що інтенсифікує розвиток переміщень контура кріплення виробки.

5. Уперше встановлені закономірності розвитку епюри переміщень контура кріплення виїмкової виробки, що споруджується в шаруватому масиві слабких порід, визначають різний зв'язок зсувів окремих ділянок контура з геомеханічними параметрами:–

у покрівлі відбувається виположування склепіння рами (що знижує несучу здатність) зі стабільним відношенням 0,64…0,71 вертикальних переміщень у зоні проходження людей у порівнянні з опусканням замка склепіння. Тут суттєво впливають (більше 10%) механічні характеристики першого і другого породних шарів покрівлі: , , , ;–

у боках виробки відбувається вигин стояків рамного кріплення, що знижує його стійкість, на величину якого впливають механічні характеристики не тільки першого і другого породних шарів покрівлі, але також і першого шару підошви: , , , ; випереджальне зближення опор стояків рами обумовлено дією «ефекту штампа», коли в умовах залягання більш твердого й менш знеміцненого першого породного шару покрівлі він під впливом опорного тиску в боках виробки інтенсифікує видавлювання порід підошви у порожнину виробки.

6. Аналіз закономірностей розвитку переміщень контура й НДС кріплення виробки дозволив виявити область гірничо-геологічних умов, коли можливе збереження експлуатаційного стану виробки за допомогою ресурсозберігаючих технологій підсилення рами системою анкерів: при м МПа; при 400 м Н   м МПа. Така можливість у зазначених умовах обумовлена відносно помірними переміщеннями контура рами й обмежених областей граничного й позамежного стану масиву. Для часткової компенсації переміщень на небезпечні (з погляду експлуатаційних норм і правил безпеки) ділянках контура рами доцільно застосовувати податливі трубчасті анкери ТА-2, що розвивають високу реакцію опору навіть у знеміцнених слабких породах.

7. Оцінка вірогідності розрахунку НДС системи «шаруватий масив-кріплення виїмкової виробки» дала задовільні результати: закономірності розвитку переміщень контура кріплення виробки не суперечать відомим геомеханічним тенденціям (установленим як експериментальними, так і аналітичними дослідженнями), а підсилюють спільність прогнозу завдяки більш повному урахуванню об'єктивно існуючих геомеханічних факторів.

8. Виділено основні позиції оцінки надійної й безпечної експлуатації виїмкової виробки відповідно до вимог нормативних документів: стійкість рамного кріплення, умови безпечного проходження людей і руху транспортних засобів. Для кожної з позицій уперше отримані рівняння регресії відповідних переміщень, що дозволяє в замкнутому виді вже на стадії проектування оперативно спрогнозувати стан виїмкової виробки за основними умовами функціонування в шаруватому масиві слабких порід і закласти в проект (за необхідності) виконання спеціальних заходів для підвищення її стабільності.

9. Розроблена методика прогнозу переміщень контура кріплення виїмкової виробки, розташованої в шаруватому масиві слабких порід, прийнята до використання при проведенні дільничних штреків на шахті «Степова» ВАТ «Павлоградвугілля».

Основні положення і результати дисертації опубліковані в
наступних роботах:

1. Компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния мелкослоистого породного массива вокруг пластовой выработки / В.И. Бондаренко, И.А. Ковалевская, Г.А. Симанович, В.В. Фомичев. – Системные технологии, 2006. – Ч. I. – 172 с.

2. Компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния мелкослоистого породного массива вокруг пластовой выработки / В.И. Бондаренко, И.А. Ковалевская, Г.А. Симанович, В.В. Фомичев. – Системные технологии, 2007. – Ч. II. – 198 с.

3. Технология изготовления и установки трубчатых анкеров взрывным способом /В.И. Бондаренко, И.А. Ковалевская, Г.А. Симанович,
В.В. Фомичев и др. – Системные технологии, 2006. – 56 с.

4. Временное руководство по расчету параметров трубчатой анкерной крепи / В.И. Бондаренко, И.А. Ковалевская, Г.А. Симанович, В.В. Фомичев и др. – Системные технологии, 2005. – 46 с.

5. Обоснование модели исследования напряженного состояния слоистого породного массива вокруг пластовой выработки / В.И. Бондаренко, И.А. Ковалевская, Г.А. Симанович, В.В. Фомичев // Науковий вісник НГУ. – 2006. – №10. – С. 3-5.

6. Влияние физико-механических характеристик горного массива на эпюры распределения напряжений вблизи магистрального штрека / В.И. Бондаренко, И.А. Ковалевская, Г.А. Симанович, В.В. Фомичев // Науковий вісник НГУ. – 2006. – №11. – С. 6-8.

7. Алгоритм исследования проблемы устойчивости пластовых выработок в слоистом породном массиве / В.И. Бондаренко, И.А. Ковалевская, Г.А. Симанович, В.В. Фомичев и др. // Науковий вісник НГУ. – 2007. – №6. – С. 3-8.

8. Ковалевская И.А., Поротников В.В., Фомичев В.В. Анализ подходов к разработке методов расчета параметров упрочнения вмещающих горную выработку слабых пород анкерами // Науковий вісник НГУ. – 2005. – №8. – С. 7-8.

9. Ковалевская И.А., Фомичев В.В. Эволюция математического эксперимента в решениях прикладных задач геомеханики // Науковий вісник НГУ – 2007. – №9. – С. 8-12.

10. Исследование зоны предельного состояния пород вокруг выработки в мелкослоистом горном массиве /В.И. Бондаренко, И.А. Ковалевская, Г.А. Симанович, В.В. Фомичев // Матер. междунар. конф. «Форум гірників-2006». – С.34-39.

11. Определение компонент напряжений в разнородных по материалу элементах многослойного цилиндра / В.И. Бондаренко, И.А. Ковалевская, Г.А. Симанович, В.В. Фомичев // Матер. междунар. научн. школы «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках». – Симферополь: ТНУ, 2006. – С.242-245.

12. Research of Rock Stress and Deformation around mining workings /Bondarenko, G. Simanovich, I. Kovalevska, V. Fomichov and other // International Mining Forum. Technical, Technological and Economic Aspects of Thin-Seams Coal Mining. – Taylor 8t Proncis/Balkema, 2007. – P. 47-56.

13. Системная методология прогноза устойчивости пластовой выработки в слоистой углевмещающей толще / В.И. Бондаренко, И.А. Ковалевская, Г.А. Симанович, В.В. Фомичев // Матер. междунар. научн.-практ. конф. «Школа подземной разработки». – Д.: НГУ, 2007. – С. .

14. Моделирование предельного и запредельного состояния слоистого породного массива вокруг пластовой выработки / В.И. Бондаренко, И.А. Ковалевская, Г.А. Симанович, В.В. Фомичев // Матер. междунар. конф. «Форум гірників-2007».– НГУ. – 2007. Том 1. – С. 56-62.

15.of footwall rocks deformations on stressed condition of «support-rockmass» system / V. I. Bondarenko, I. A. Kovalevska, G.A. Simanovich, V.V. Fomichov // Proceeding of the School of Underground Mining-2008. – Crakow, Poland: Wydawnictwo IGSMiE PAN, 2008. – C.591-600.

Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих у співавторстві: [1, 2] – написання розділів 1 і 2, виконання й аналіз результатів обчислювальних експериментів; [3, 4, 8, 11] – побудова номограм, аналітичні дослідження й аналіз механізму зміцнення порід анкерами;
[5, 6, 7, 9, 10, 12, 13, 14, 15] – виконання й аналіз результатів обчислювальних експериментів.

АНОТАЦІЯ

Фомичов В.В. Обґрунтування параметрів управління шаруватим масивом навколо виїмкових виробок. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.02 – Підземна розробка родовищ корисних копалин. Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2008.

Захищаються встановлені закономірності: впливи механічних характеристик у домежовому та позамежовому станах кожного із прилеглих породних шарів вуглевміщуючої товщі на зміну НДС системи «шаруватий масив-кріплення виїмкової виробки»; розвиток переміщень будь-якої точки контура кріплення виробки в сполученні з комплексом нових умов оцінки її стійкості й експлуатаційної придатності. Обґрунтована просторова геомеханічна модель зсувів навколо пластової виробки тонкошаруватого масиву слабких порід з урахуванням кінцево-елементної побудови реальних геометричних параметрів рамного кріплення, підп'ятників, затяжки і закріпного простору з відповідними умовами їхнього контакту та реальних механічних характеристик. Модель реалізована за допомогою методу кінцевих елементів на базі сучасних комп'ютерних програм і їх додатків. Створена методика прогнозу переміщень контура кріплення виїмкової виробки, що враховує структуру порушеної тонкошаруватої вуглевміщуючої товщі, механічні характеристики її породних шарів і основні конструктивно-технологічні норми безпечної експлуатації.

Основний зміст роботи відображений у 3 монографіях, 1 брошурі, 5 статтях і 6 доповідях на міжнародних конференціях.

Ключові слова: виїмкова виробка, шаруватий масив, слабкі породи, кріплення, переміщення, напруження, деформації, комп'ютерне моделювання, обчислювальний експеримент, стійкість, експлуатаційний стан.

АННОТАЦИЯ

Фомичев В.В. Обоснование параметров управления слоистым массивом вокруг выемочных выработок. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.02 – Подземная разработка месторождений полезных ископаемых. Национальный горный университет, Днепропетровск, 2008.

Защищаются установленные закономерности влияния механических характеристик в допредельном и запредельном состояниях каждого из близлежащих породных слоев углевмещающей толщи на изменение НДС системы «слоистый массив-крепь выемочной выработки»; развития перемещений любой точки контура крепи выработки в сочетании с комплексом условий оценки ее устойчивости и эксплуатационной пригодности. Обоснована пространственная геомеханическая модель сдвижения вокруг пластовой выработки тонкослоистого массива слабых пород с учетом конечно-элементного построения реальных геометрических параметров рамной крепи, подпятников, затяжки и закрепного пространства с соответствующими условиями их контакта и реальными механическими характеристиками. Модель реализована с помощью метода конечных элементов на базе современных компьютерных программ и их приложений. Создана методика прогноза перемещений контура крепи выемочной выработки, учитывающая структуру расслаиваемой тонкослоистой углевмещающей толщи, механические характеристики ее породных слоев и основные конструктивно-технологические нормы безопасной эксплуатации.

Основное содержание работы отражено в 3 монографиях, 1 брошюре, 5 статьях и 6 докладах на международных конференциях.

Ключевые слова: выемочная выработка, слоистый массив, слабые породы, крепь, перемещения, напряжения, деформации, компьютерное моделирование, вычислительный эксперимент, устойчивость, эксплуатационное состояние.

SUMMARY

Fomichov V.V. Ground of a parameters of management of a layered file around entry working. – Manuscript.

Dissertation on competition of graduate degree of candidate of engineering sciences on speciality 05.15.02 – Underground development of deposits of minerals. National mining university, Dnepropetrovsk, 2008.

The established laws of influence of mechanical characteristics in underbordering and abovbordering conditions of each nearby rocky layers rockmass on change of the SDC of system «layered massiv-support of preparatory workings» are protected; geomechanical interrelation with movings any point of a contour workings in a combination with complex of new criteria of estimation its stability and operational suitability. The spatial geomechanical model moving around workings thinklayered massiv of weak breeds is proved in view of certainly-element construction of real geometrical parameters arch support, inhalings and fasterning spaces by corresponding conditions of their contact and real mechanical characteristics. The model is realized with the help of a method of final elements on the basis of modern computer programs and their appendices. The method of the forecast epura movings of a contour working, taking into account also structure thinklayered rockmass of massiv, and also geometry of typical sections of working of different standard sizes and kinds used support is created. The technique of a choice of typical section workings of mines taking into account the basic constructive-technological norms and rules of their safe operation is created.

The basic content of work is reflected in 3 monographies, 1 brochure,
5 articles and 6 reports at the international conferences.

Keywords: working, a layered massiv, weak breeds, support, displacement, pressure, deformations, computer modelling, computing experiment, stability, operational condition.

ФОМИЧОВ ВАДИМ ВОЛОДИМИРОВИЧ

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ УПРАВЛІННЯ

ШАРУВАТИМ МАСИВОМ НАВКОЛО ВИЇМКОВИХ ВИРОБОК

(Автореферат)

Підписано до друку 03.04.08. Формат 30х42/4.

Папір офсет. Ризографія. Ум. друк. арк.1,0

Обл.-вид. арк. 1,0. Тираж 120 прим. Зам. №

Національний гірничий університет

49005, м. Дніпропетровськ, просп. К Маркса,19