ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД
«ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»
ПЕТРЕНКО Юрій Анатолійович
УДК 622.268:622.13
ГЕОМЕХАНІЧНІ ОСНОВИ ЗБЕРЕЖЕННЯ
СТІЙКОСТІ ВИРОБОК ГЛИБОКИХ ШАХТ
НА РІЗНИХ ЕТАПАХ ЇХ ЕКСПЛУАТАЦІЇ
Спеціальність 05.15.02 – підземна розробка
родовищ корисних копалин
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Донецьк – 2008
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі гірничої геомеханіки
ДВНЗ “Донецький національний технічний університет”
Міністерства освіти і науки України (м. Донецьк)
Науковий консультант: доктор технічних наук, професор
Гребьонкін Сергій Семенович,
проф. каф. “Інноваційного менеджменту і управління проектами”
Донецького державного університету управління МОН України (м. Донецьк)
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Усаченко Борис Миронович,
завідуючий відділом механіки гірничих порід Інституту геотехнічної
механіки НАН України (м. Дніпропетровськ)
доктор технічних наук, старший науковий співробітник
Піталенко Євген Іванович,
завідуючий відділом охорони надр та зсуву земної поверхні Українського
державного науково-дослідного і проектно-конструкторського інституту
гірничої геології і маркшейдерської справи НАН України (м. Донецьк)
доктор технічних наук, професор
Клішин Микола Кузьмич,
професор кафедри розробки родовищ корисних копалин Донбаського
державного технічного університету МОН України (м. Алчевськ).
Захист відбудеться _16 травня__ 2008 р. о 1200 годині
на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052. 05
Донецького національного технічного університету
(83001, Україна, м. Донецьк, вул. Артема, 58, I навч. корп., ВАЗ)
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці
Донецького національного технічного університету
(83001, м. Донецьк, вул. Артема, 58, II навч. корп.)
Автореферат розісланий «_15_»_квітня__ 2008 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради Д 11.052.05
д. т. н., проф. В.П. Кондрахін
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Концепція розвитку вугільної промисловості України передбачає до 2011 року вийти на рівень видобутку 100 млн. тонн вугілля на рік і при цьому забезпечити зниження його собівартості. Рішення цієї проблеми пов'язано із скороченням витрат виробництва і зокрема витрат на підтримку гірничих виробок. Останніми роками питомий об'єм перекріплювання виробок на шахтах Донбасу досяг 7,5 м на 1000 т видобутку, а витрати праці на ремонт і підтримку виробок 565,2 чол./змін на 1 км виробок, що підтримуються, на рік або близько 50 чол./змін на 1000 т видобутку. Вартість кріплення одного метра виробки досягає 3000 грн. і складає до 50-60% від вартості проведення.
Зміна характеру і інтенсивності деформаційних процесів у породах, що оточують виробку, на великих глибинах стала причиною того, що багато відомих способів підтримки, технологічні і технічні рішення вичерпали свої можливості в частині забезпечення стійкості виробок.
Обстеження стану гірничих виробок і аналіз проектних рішень по їх спорудженню і підтримці показали, що параметри підтримки гірничих виробок визначаються величиною зсувів їх контуру за весь період експлуатації, а додаткові заходи щодо підвищення їх стійкості застосовуються в основному на етапі їх проведення. При цьому не враховується зміна геомеханічного стану вміщуючого виробку масиву за часом, в різні періоди їх підтримки і різний характер взаємодії кріплення з навколишнім масивом. Такий підхід до рішення питання не носить попереджувального характеру і не дозволяє максимально використовувати несучу здатність порідного масиву і знизити витрати на підтримку.
У зв'язку з цим розробка геомеханічних основ збереження стійкості виробок глибоких шахт в різні періоди їх підтримки є вельми актуальною проблемою.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Протягом багатьох десятиліть одним з головних наукових напрямів Донецького національного технічного університету залишається дослідження нових і вдосконалення існуючих способів, технологій і засобів охорони і підтримки гірничих виробок глибоких шахт. Дисертація є складовою частиною цих досліджень: №01860059891 «Розробити і упровадити спосіб підтримки гірничих виробок «кріплення-охорона» з розрахунком його параметрів» №01880026153 «Розробити технологічні схеми поетапної підтримки капітальних гірничих виробок на основі розвантаження порідного масиву від підвищених напруг» №0102U007269 «Розробити методику кількісної оцінки вивалу гірничих порід, утвореного в гірничих виробках і проведення заходів щодо їх запобігання» №0103U004909 «Вдосконалення і розробка способів підтримки гірничих виробок глибоких шахт на основі ресурсозберігаючих технологій» №0105U002290 «Геомеханічне обґрунтування засобів забезпечення стійкості гірничих виробок на різних етапах їх експлуатації», в яких автор брав участь як виконавець, відповідальний виконавець, науковий керівник.
Мета і задачі досліджень. Метою роботи є розвиток геомеханічних основ збереження стійкості виробок глибоких шахт на різних етапах їх експлуатації.
Для досягнення поставленої мети в роботі вирішені наступні задачі:
1. Розробити аналітико-експериментальний метод дослідження процесів деформації і руйнування вміщуючого виробку масиву.
2. Провести дослідження особливостей формування навантаження на систему «кріплення - міжрамна огорожа - масив» в процесі утворення навколо гірничих виробок зони непружних деформацій (ЗНД).
3. Провести дослідження особливостей деформації виробки при порушенні рівноважного стану системи «кріплення - вміщуючий масив».
4. Обґрунтувати способи збереження стійкості виробок глибоких шахт.
5. Провести шахтні випробування і впровадження результатів роботи.
Ідея роботи полягає в обліку встановлених особливостей протікання геомеханічних процесів в масиві гірничих порід, що вміщує виробку, на різних етапах її підтримки для наукового обґрунтування способів забезпечення стійкості і їх параметрів.
Об'єкт досліджень – геомеханічні процеси в порідному масиві, що вміщує гірничу виробку.
Предмет досліджень – способи забезпечення стійкості гірничих виробок на великих глибинах.
Для досягнення поставленої мети в роботі використані наступні методи: аналіз і узагальнення даних літературних джерел по дослідженню проявів гірничого тиску у виробках на глибоких горизонтах; шахтні інструментальні спостереження за процесом деформації і зрушення гірничих порід за допомогою контурних і глибинних реперів; лабораторні дослідження на структурних моделях і моделях з еквівалентних матеріалів особливостей протікання геомеханічних процесів у вміщуючому виробку масиві на різних етапах її існування аналітико-експериментальний метод прогнозу розмірів зони зруйнованих порід (ЗЗП), що базується на положеннях механіки крихкого руйнування промислові випробування розроблених способів забезпечення стійкості виробок.
Наукова новизна одержаних результатів.
1. Вперше експериментально встановлений механізм взаємодії елементів системи «зона зруйнованих порід (ЗЗП) - рама - затяжка», який полягає в тому, що при відстані між рамами кріплення 0,5 м і більш і розмірі ЗЗП, що формується, більше кроку установки кріплення, уздовж виробки, між рамами кріплення, утворюються склепіння природної рівноваги. Вони перерозподіляють навантаження від подальшого зростання ЗЗП на рами кріплення, а на затяжку чинить тиск вага порід у межах цих склепінь.
2. Вперше теоретично обґрунтований та експериментально підтверджений механізм формування в часі навантаження на податливе кріплення виробок глибоких шахт, який полягає в тому, що в процесі утворення ЗЗП (тривалістю від 0,5 до 10 місяців) навантаження на кріплення формується в режимі «задана деформація». Після утворення навколо виробки ЗЗП усередині неї утворюються склепіння обвалення, висота яких не перевищує розмірів ЗЗП. При цьому навантаження на кріплення формується в режимі «задане навантаження» від ваги порід всередині цих склепінь.
3. Вперше встановлені особливості деформації системи «кріплення-масив» при порушенні її рівноважного стану в результаті перекріплення виробки, що полягає в наступному. Якщо до моменту розширення виробки зона зруйнованих порід в межах зони непружних деформацій сформувалася на 50-75%, то основна частина зсувів контуру виробки після перекріплення відбувається за рахунок її подальшого зростання, при цьому розмір зони непружних деформацій збільшується в 1,2-1,4 рази. У разі, коли зона зруйнованих порід сформувалася повністю – основна частина зсувів відбувається за рахунок збільшення розмірів зони непружних деформацій в 1,05-1,1 рази.
4. Вперше встановлені особливості взаємодії анкерного кріплення з вміщуючим масивом, які полягають в тому, що анкера, залежно від схеми їх установки збільшують кут внутрішнього тертя заанкерованних порід на 5-10° і силу зчеплення порід в 1,2-1,6 рази, що дозволяє зменшити розміри ЗЗП на 20–70%.
Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:
1. З урахуванням особливостей протікання геомеханічних процесів у масиві гірничих порід на різних етапах існування виробки обґрунтовані і розроблені нові способи забезпечення її стійкості, а саме: спосіб охорони гірничих виробок «кріплення-охорона» спосіб перекріплення гірничих виробок без зайвого випуску породи.
2. Обґрунтована ефективність об'ємного анкерування гірничого масиву як засобу, що змінює його структурно-механічні параметри і запропоновані нові методичні основи розрахунку параметрів анкерного кріплення.
3. Розроблена і затверджена Мінвуглепромом СРСР «Тимчасова інструкція по застосуванню способу підтримки гірничих виробок «кріплення-охорона» (РД 12.18.072-88).
4. Розроблені і затверджені Мінвуглепромом СРСР «Технологічні схеми поетапного підтримання гірничих виробок на основі розвантаження порідного масиву від підвищених напруг» (РД 12.18.096-90).
Спосіб підтримки гірничих виробок “кріплення – охорона” упроваджений на шахті «Новодружеська» при споруді обхідного квершлагу гор. 840 м. Економічний ефект від впровадження способу склав 13986 крб. (у цінах 1988 р.). Впровадження рекомендацій за розрахунком параметрів анкерного кріплення з урахуванням нової концепції їх застосування на шахті «Добропільська» дозволило одержати економічний ефект 424594 грн.
Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульовані ідея роботи, її мета і завдання досліджень, основні наукові положення, висновки і рекомендації. Виконані аналітико-експериментальні дослідження процесів деформації і руйнування масиву, що вміщуює виробку, а також дослідження особливостей формування навантаження на кріплення гірничих виробок на різних етапах формування навколо них зони зруйнованих порід. Обґрунтовані і розроблені нові способи забезпечення стійкості виробок глибоких шахт і проведені їх шахтні випробування і впровадження.
Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи в цілому і окремі її етапи обговорювалися і дістали схвалення на Всесоюзній науково-технічній нараді «Шляхи поліпшення стану гірничих виробок» (м. Донецьк 1989 р.), а також на Міжнародних конференціях: «Перспективи розвитку гірничих технологій на початку третього тисячоліття» (м. Алчевськ, 1999 р.) «Геотехнології на рубежі XXI століття» (м. Донецьк, 2001 р.) «Шахтне і підземне будівництво XXI століття» (м. Донецьк, 2004 р.) «Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості» (м. Кривий Ріг, 2004 р.) «Машинобудування і техносфера XXI століття» (м. Севастополь, 2004 р.) «Форум гірників 2005» (м.Дніпропетровськ, 2005 р.) «Гірнича геологія, геомеханіка і маркшейдерія» (м. Донецьк, 2005 р.) «Проблеми підземного будівництва і напрями розвитку тампонажу і закріплення гірничих порід» (м. Антрацит, 2006 р. «XII Міжнародний симпозіум «Геотехніка 2006»» (м. Глівіце-Устронь, Польща, 2006 р.).
Публікації. Основні наукові і практичні результати роботи опубліковані в 2 колективних монографіях і в 39 наукових працях.
Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу шести розділів, висновку, списку використаних джерел з 138 найменувань, 7 додатків. Загальний обсяг дисертації – 354 сторінки, з них 106 рисунків, 51 таблиця.
Автор виражає глибоку подяку доктору технічних наук М.М. Касьяну і кандидату технічних наук О.О. Новікову за науково-консультативну допомогу в процесі виконання роботи.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Ефективна робота вугільних шахт істотно залежить від стану підтримуваних гірничих виробок. Питання забезпечення стійкості гірничих виробок постійно знаходяться в центрі уваги гірничої науки. Великий внесок у рішення цієї проблеми зробили вітчизняні і зарубіжні вчені: К.А. Ардашев, Б.З.Амусін, В.І. Барановський, А.П. Борзих, В.І. Борисов, Н.С. Буличьов, М.І. Весков, Ю.А. Векслер, В.В. Віноградов, В.Т. Глушко, Є.Б. Дружко, Ю.З. Заславський, А.Н. Зорін, М.П. Зборщик, Б.А. Картозія, М.М. Касьян, М.К. Клішин, К.В. Кошелєв, А.М. Кузьменко, О.В. Колоколов, С.М. Ліпкович, Г.Г. Литвинський, Ю.М. Ліберман, О.Ф. Морозов, В.В. Назимко, Б.М. Усаченко, Л.Я. Парчевський, Є.І. Піталенко, К.В. Руппенейт, І.Л. Черняк, А.Н. Шашенко, Е.І. Шемякін та ін.
В результаті виконаних досліджень був істотно розширений круг уявлень про механічні процеси у масиві порід, що вміщує виробку, і запропонований ряд технічних рішень по забезпеченню стійкості гірничих виробок.
Разом з тим, досвід експлуатації гірничих підприємств показав, що забезпечити довготривалу стійкість виробок на великих глибинах за рахунок технічних рішень, що приймаються на стадії проектування, без урахування зміни геомеханічного стану вміщуючого виробки масиву в різні періоди їх підтримки неможливо. Тому рішення даної проблеми вимагає подальшого вивчення особливостей і закономірностей протікання геомеханічних процесів у масиві гірничих порід, що вміщує виробки, в різні періоди їх підтримки для наукового обґрунтування способів забезпечення стійкості і їх параметрів.
Перший розділ дисертації «Аналіз стану проблеми збереження стійкості виробок глибоких шахт. Мета і завдання досліджень» виконаний в двох напрямах: 1) умови підтримки і стан виробок глибоких шахт 2) існуюче уявлення про механізм формування навантаження на кріплення гірничих виробок.
Проте до сьогодні технічний стан шахтного фонду вугільної промисловості України продовжує погіршуватися. Так, близько 80% вугільних шахт працюють без реконструкції більше 20 років, причому третя частина з них введена в експлуатацію в довоєнний період. Враховуючи, що останні 14 років щорічно втрачалося 7,6 млн. тонн виробничих потужностей, для виконання поставлених перед галуззю завдань необхідно різко збільшити об'єми проведення гірничих виробок, серед яких 70-80% займають ті, що розкривають і підготовчі. Аналіз розподілу порід по міцності залежно від глибини ведення гірничих робіт показав, що в перспективі гірничогеологічні умови спорудження і експлуатації виробок, незалежно від їх призначення, будуть несприятливими. Цей висновок ґрунтується на тому, що діапазон міцністних характеристик порід на різних глибинах практично залишається постійним, що погіршує умови підтримки гірничих виробок через збільшення глибини ведення гірничих робіт. Шахти новобудови звичайно мають основні горизонти на глибинах 700-1400 м, нові горизонти діючих шахт споруджуються на глибинах 800-1200 м. Із збільшенням глибини зростає температура гірничих порід, на діючих глибинах вона складає 32-42°С. Це вимагає особливих заходів щодо створення комфортних умов праці, що, у свою чергу, приводить до збільшення площі поперечного перетину виробок. У даний час площа поперечного перетину підготовчих виробок в світлі складає в середньому 10-13 м2, капітальних – 15-16 м2. Протяжність підтримання виробок на шахтах досягає 200 км.
При аналізі рівня видобутку шахт ДП «Донецьквугілля» і зіставлення його з протяжністю гірничих виробок, що підтримуються, по роках, слід зазначити тенденцію зниження рівня видобутку в порівнянні з відносно невеликим зменшенням протяжності гірничих виробок, що підтримуються.
Так, тільки за останні 10 років, видобуток скоротився на 50,7% (у 2 рази), тоді як протяжність гірничих виробок – на 15,7% (у 1,3 рази). Це пов'язано з тим, що зниження видобутку, а, отже, і швидкості посування очисних вибоїв, привело до зростання часу підтримки гірничих виробок.
Обстеження шахт ДП «Донецьквугілля» показало, що об'єм деформованих виробок на деяких шахтах досягає 24% і спостерігається тенденція до його подальшого зростання. При цьому більше 90% всіх виробок закріплені арочним податливим кріпленням, яке не забезпечує їх стійкого стану (більше 70% виробок деформовано). Додаткові ж заходи, що направлені на підвищення їх стійкості, практично не застосовуються.
Ця ситуація пояснюється цілим рядом чинників і перш за все тим, що прийняті на стадії проектування рішення по кріпленню і подальшій підтримці виробок не враховують зміну геомеханічного стану порідного масиву в різні періоди їх експлуатації. Узагальнення сучасного досвіду тривалої підтримки виробок підтверджують відсутність комплексного підходу до рішення проблеми забезпечення експлуатаційного стану гірничих виробок (незалежно від призначення) протягом всього терміну їх служби.
Аналіз існуючих уявлень про механізм формування навантаження на кріплення і методів його розрахунку дозволив встановити, що всі рішення виконані в статичній постановці на момент, коли навколо виробки сформувалося або склепіння обвалення, або зона непружних деформацій, без урахування зміни геомеханічного стану масиву, що вміщує виробку, за часом, а отже і особливостей прояву гірничого тиску на різних етапах формування навколо виробки зони непружних деформацій.
В результаті сформульована мета роботи і визначені завдання досліджень.
Другий розділ «Аналітико-експериментальні дослідження процесів деформації і руйнування масиву, що вміщує виробку» присвячений прогнозу розмірів зони непружних деформацій за часом.
Була розв’язана задача про деформування і руйнування масиву, що вміщує виробку, з урахуванням перерозподілу за часом напруг в процесі формування ЗНД і наявність усередині областей крихкої і пластичної деформацій. Критерієм розділення ЗНД на ці області прийняте співвідношення між діючими у масиві, що вміщує виробку, напругами () з межами миттєвої () і тривалої () міцності порід на стиснення: при навколо виробки утворюється область крихкого руйнування після зниження напруг до величини , починає утворюватися область пластичної деформації.
Для опису процесу крихкого руйнування гірничої породи за часом, ґрунтуючись на роботах Л.М. Качанова, використовувалося поняття суцільності гірничої породи, але з урахуванням порогового значення напруг, за методикою Г.Г. Литвинського:
, (1)
де – суцільність гірничої породи, яка в загальному випадку характеризує міру розвитку мікротріщин за час t – розмірний реологічний параметр, залежний від типу, структури і властивостей гірничої породи, 1/добу МПа – діючі в гірничій породі напруги, МПа В – порогове значення напруг, після перевищення яких починають розвиватися мікротріщини, МПа n – показник тріщиноутворення, ед.
При розв’язанні задачі прийнято, що руйнування порід відбувається в два етапи. На першому етапі відбувається накопичення пошкоджень і розширення мікротріщин, а на другому – розвиток магістральних тріщин, що викликає руйнування породи. При цьому тривалість першого етапу значно більше тривалості другого етапу.
Розглядалася зміна суцільності гірничих порід під дією руйнуючих напруг, за які приймали дотичні напруги, згідно теорії міцності Мору.
Різницю між діючою в породі напругою і пороговим значенням напруги визначали з діаграми Мору. При цьому, крива, що огинає найбільші круги напруг діаграми Мору характеризує миттєву міцність гірничих порід.
Завдання розв'язувалося для умов протяжної закріпленої круглої виробки, яка розташована в однорідному і ізотропному масиві, де діє гідростатичне поле напруг.
Для прийнятих умов розподіл напруг навколо круглої виробки визначався:
(2)
де і – відповідно тангенціальна і радіальна напруги, МПа – об'ємна вага порід, Мн/м3 Н – глибина розташування виробки, м Р – сумарний опір кріплення і порід в межах зони руйнування, МПа – початковий радіус виробки, м r – поточний радіус, м.
Розв’язавши диференціальне рівняння (1) з урахуванням (2) при дотриманні умови, що в момент , , була одержана залежність суцільності порід від величини діючих напруг, міцністних властивостей порід і часу дії напруг:
(3)
Час утворення навколо виробки зони зруйнованих порід радіусом r, було знайдено з виразу (3), за умови, що в момент , , звідки:
(4)
Для урахування перерозподілу напруг, який відбувається на межі зони зруйнованих порід при русі цієї зони у глибину масиву, був використаний принцип лінійного накопичення пошкоджень, а саме:
, (5)
де – час руйнування першої зони (r1) – час руйнування другої зони (r2) – час руйнування к-ої зони (rк) – час необхідний для руйнування к-ої зони, при напрузі що діє при розгляді руйнування першої зони – час необхідний для руйнування к-ої зони, при напрузі що діє при розгляді руйнування другої зони – час, необхідний для руйнування к-ої зони, при напрузі що діє при розгляді руйнування к-ої зони.
Рішення даної задачі виконувалося на ПЕОМ за допомогою спеціально розробленої програми.
Друга частина задачі за визначенням зовнішнього радіусу зони пластичної деформації, який відповідає розмірам ЗНД, розв'язувалася за допомогою методів теорії граничної рівноваги.
Компоненти напруг і деформацій на зовнішній межі цієї зони визначаються з виразів:
(6)
(7)
де і – відповідно відносні деформації Е – модуль пружності порід – коефіцієнт бічного розпору. Радіус ЗНД визначається за формулою
, (8)
де – радіус зони крихкого руйнування – залишкова міцність порід в зоні крихкого руйнування – коефіцієнт поперечної деформації для позамежного стану порід – параметр, що характеризує відношення модуля деформації в позамежному стані () до модуля пружності (Е).
Одержані залежності дозволяють вирішувати приватні задачі щодо особливостей деформації масиву, що вміщує виробку, на різних етапах її існування і обґрунтовано приймати раціональні способи забезпечення її стійкості.
У третьому розділі «Дослідження особливостей формування навантаження на кріплення гірничих виробок» наведені результати експериментальних досліджень механізму формування навантаження на систему «кріплення - міжрамна огорожа» і особливостей взаємодії кріплення гірничих виробок глибоких шахт з вміщуючим масивом в процесі утворення ЗНД.
Дослідження механізму формування навантаження на систему «кріплення - міжрамна огорожа» проводилися на моделях з еквівалентних матеріалів і структурних моделях.
Моделювалася протяжна гірнича виробка, в якій встановлено рамне кріплення з кроком 0,3 0,5 1,0 1,5 м. При проведенні досліджень вимірювався тиск на рами кріплення і в глибині масиву. Метою даних досліджень була оцінка впливу затяжки і режиму її роботи на механізм формування навантаження на рами кріплення в період розвитку навколо виробки ЗРП.
Спочатку була відпрацьована модель з жорсткою затяжкою. Результати вимірювань тиску на рами кріплення і в навколишньому масиві представлені на рис. 1, 2. Аналіз результатів вимірювання тиску на рами кріплення показує, що із збільшенням щільності установки кріплення навантаження на раму зменшується.
Так при величині зовнішнього тиску на модель 40 кПа із зменшенням кроку установки кріплення з 1,5 до 0,33 м навантаження на раму зменшується з 85 до 42 кПа. Це підтверджує існуючу думку про те, що участь жорсткої затяжки у формуванні навантаження на кріплення зводиться тільки до перерозподілу її на рами, залежно від кроку їх установки.
Аналіз графіків розподілу тиску в масиві моделі показує, що воно також залежить від щільності установки рам кріплення. Так при кроці установки кріплення 1,5-0,5 м безпосередньо над рамами спостерігається максимальний тиск, при цьому із зменшенням кроку кріплення різниця між тиском над рамами кріплення і між ними знижується. При кроці менше 0,5 м тиск в масиві розподіляється більш рівномірно.
Очевидно, що рами кріплення виступають в ролі концентраторів тиску, оскільки їх жорсткість значно більша, ніж затяжки, тому масив безпосередньо над рамами руйнується сильніше.
Модель № 2 була відпрацьована для аналогічних умов, але з податливою затяжкою. Результати вимірювань тиску на рами кріплення і в навколишньому масиві представлені на рис. 3 і 4. Як видно з наведених даних, навантаження на рами кріплення при кроці їх установки 1,0 м і більш розподіляється відносно рівномірно і істотно не залежить від відстані між рамами. При кроці установки кріплення 0,5 м і менш навантаження на рами розподіляється аналогічно, як і при жорсткій затяжці, тобто із зменшенням відстані між рамами, навантаження зменшується.
Розподіл тиску в глибині масиву носить рівномірний характер при кроці кріплення 0,5-1,5 м, при цьому концентрації тиску над рамами кріплення не спостерігається. При кроці кріплення менше 0,5 м тиск в глибині масиву розподіляється аналогічно, як і при жорсткій затяжці.
Проведені дослідження дозволяють зробити висновок, що при кроці установки рам кріплення більше 0,5 м затяжка не тільки захищає виробку від можливих обвалень, але і бере участь в процесі формування навантаження на рами кріплення. При кроці установки кріплення менше 0,5 м роль затяжки зводиться тільки до утримання забутовочного матеріалу. Для оцінки впливу піддатливості затяжки на величину навантаження на рами кріплення була відпрацьована модель номер 3. В моделі рами кріплення по довжині виробки встановлювалися з кроком 40 мм, що відповідало 1,0 м в натурі.
Результати досліджень оброблялися у вигляді графіків залежностей середнього навантаження на рами кріплення при жорсткій і податливій затяжці від величини зовнішнього навантаження, які представлені на рисунку 5.
Як видно з наведених даних, навантаження на рами кріплення при жорсткій затяжці на 10-40% більше, ніж при податливій. Ця закономірність пояснюється наступним. При утворенні навколо виробки ЗЗП, навантаження на кріплення формується за рахунок збільшення об'єму порід в цій зоні і зсувів їх в порожнину виробки. Оскільки жорсткість податливої затяжки значно менша, ніж у рам кріплення, вона прогинається. Тоді прогин затяжки між рамами, враховуючи співвідношення між шириною профілю кріплення і кроком її установки, можна розглядати як реалізацію зсувів контуру виробки на деяку величину за рахунок податливості кріплення. Відомо, що навантаження на кріплення зменшується із збільшенням її податливості.
Для детальнішого вивчення механізму формування навантаження на рами кріплення були відпрацьовані моделі № 4, 5, 6. Для моделювання зони зруйнованих порід як матеріал моделі використовувалася мармурова крихта з розміром частинок до 10 мм.
Аналіз одержаних даних (рис. 6) показав, що на початковій стадії формування зони зруйнованих порід (при величині зовнішнього навантаження від 0 до 10 кПа), податливість затяжки не робить істотного впливу на величину навантаження на кріплення. Починаючи з величини зовнішнього навантаження в 10 кПа, навантаження на рами з податливою затяжкою росте менш інтенсивно і по величині (у 1,5-2,0 рази) менше, ніж на рами з жорсткою затяжкою. При збільшенні зовнішнього навантаження більше 30 кПа інтенсивність навантаження рам з податливою затяжкою зростає, а з жорсткою – зменшується. Але в цілому, навантаження на рами з податливою затяжкою, як і було встановлено раніше, на 10-40% менше, ніж на рами з жорсткою затяжкою.
Такий механізм формування навантаження на рами кріплення можна пояснити наступним.
У початковий період формування навколо виробки ЗЗП (розмір ЗЗП не перевищує кроку установки кріплення) і відсутності деформації затяжки, остання тільки перерозподіляє навантаження від зсувів контуру виробки на рами кріплення, без істотного впливу на її величину. При подальшому зростанні ЗЗП у глибину масиву і прогині затяжки унаслідок зсувів порід в порожнину виробки, оскільки її жорсткість і несуча здатність менше ніж у рами кріплення, між рамами, уздовж подовжньої осі виробки, починають утворюватися склепіння природної рівноваги. Затяжка, прогинаючись, реалізує частину зсувів контуру виробки і тим самим знижує навантаження на рами. Після завершення утворення в міжрамному просторі склепінь природної рівноваги (рис. 7), затяжка сприймає навантаження тільки від ваги породи в межах цього склепіння. Внаслідок обпирання склепінь на рами кріплення при подальшому зростанні зони зруйнованих порід навколо виробки, навантаження ними перерозподіляється тільки на рами кріплення і не передається на затяжку.
Дослідження особливостей взаємодії кріплення гірничих виробок глибоких шахт з вміщуючим масивом в процесі утворення навколо виробки ЗНД проводилося шляхом аналізу результатів шахтних інструментальних спостережень зрушень глибинних реперів на 10 вимірних станціях. Дані по 2 вимірним станціям – це результати власних спостережень, а матеріали по 8 станціям – результати спостережень проф. Ю.З. Заславського і проф. І.Л. Черняка.
Аналіз стану гірничих виробок глибоких шахт Донбасу показує що, при ремонті виробок, який пов'язаний із заміною кріплення або її елементів, при 92% випадків зафіксовані випуски породи. При цьому, у 55% випадках, вага породи, що випускається, порівнюється з несучою спроможністю кріплення.
Враховуючи, що в існуючих нормативних документах, навантаження на кріплення визначається тільки як результат руйнування порід і зсуву їх в порожнину виробки, завданням даних досліджень було уточнення механізму формування навантаження на кріплення при утворенні ЗНД з метою обліку ваги порід, що відокремилися від масиву, при виборі параметрів підтримки виробок.
Аналіз графіків зсуву глибинних реперів на момент виробництва вимірів дозволяє відстежувати зростання зони непружних деформацій навколо виробки за часом. Межу ЗЗП визначають як відстань від контуру виробки до ділянки, на якій спостерігається різкий перегин графіка зсувів точок масиву, фіксованих глибинними реперами.
Аналіз графіків швидкостей зсуву дозволяє визначити характер деформаційних процесів, що відбуваються в масиві порід, який оточує виробку. Плавна зміна швидкості зсуву порід при русі в глиб масиву свідчить про протікання деформаційних процесів без розриву суцільності порідного масиву. Різка, пікоподібна зміна швидкості зсуву порід говорить про те, що причиною деформаційних процесів є руйнування порідного масиву. По зміні швидкості зсуву порід на різній відстані від контуру виробки можна не тільки судити про характер геомеханічних процесів, але і визначати зону активних зсувів в різні моменти впродовж періоду інструментальних спостережень.
Разом з тим, інформація, яка одержується з аналізу графіків зсувів і швидкостей зсувів глибинних реперів, не дозволяє зробити висновок про відділення частини зони зруйнованих порід від решти масиву і формуванні за рахунок цього додаткового навантаження на кріплення.
У зв'язку з цим, в роботі пропонується для дослідження особливостей формування навантаження на кріплення, визначати прискорення зсувів реперів за формулою:
, мм/добу2 (9)
де , – швидкості зсувів n-го репера відповідно на момент часу і .
Аналізуючи графіки прискорень, можна буде встановити наявність і розміри області ЗЗП, що відокремилася від решти масиву.
Станція № 1 була обладнана при споруді другого західного конвеєрного штреку пласта h8 шахти «Шахтарська-Глибока». Виробка перетином в світлі 13,5 м2 споруджувалася буропідривним способом на глибині 1050 м в піщаних сланцях міцністю на стиснення 50 МПа. Кріплення у виробки – рами КМП-А5 з кроком установки 0,5 м.
Глибинна вимірна станція була обладнана в покрівлі виробки. У свердловині було встановлено 3 репери. Відстань від контуру виробки до першого репера 1500 мм, а між першим і другим репером – 1000 мм. Спостереження проводилися протягом 65 діб. Результати вимірів представлені у табл. 1
Таблиця 1.
Результати вимірів по станції № 1
Репери | Час вимірів, діб
4 | 5 | 7 | 8 | 10 | 14 | 15 | 20 | 28 | 44 | 55 | 65
Контур | 80 | 115 | 175 | 190 | 210 | 215 | 250 | 290 | 295 | 305 | 310 | 315
1 | 40 | 50 | 75 | 90 | 100 | 100 | 120 | 125 | 135 | 140 | 140 | 140
2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 5 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10
Результати обробки даних вимірів по вище наведеній методиці представлені у табл.2.
Таблиця 2.
Результати обробки даних
Репери | Швидкість зсувів, мм/добу
прискорення зсувів, мм/добу2
Час вимірів, діб
0 | 4 | 5 | 7 | 8 | 10 | 14 | 15 | 20 | 28 | 44 | 55 | 65
Контур | 0
0 | 20
+5,0 | 35
+15,0 | 30
-2,5 | 15
-15,0 | 10
-2,5 | 1,25
-2,19 | 35
+33,75 | 8,0
-5,4 | 0,625
-0,92 | 0,625
0 | 0,445
-0,02 | 0,5
+0,045
1 | 0
0 | 10
+2,25 | 10
0 | 12,5
+1,25 | 15,0
+2,5 | 5,0
-5,0 | 0
-1,25 | 20,0
+20,0 | 1,0
-3,8 | 1,25
+0,003 | 0,31
-0,006 | 0
-0,003 | 0
0
2 | 0
0 | 0
0 | 0
0 | 0
0 | 0
0 | 2,5
+1,25 | 1,25
-0,3 | 0
-1,25 | 0
0 | 0
0 | 0
0 | 0
0 | 0
0
Аналізуючи одержані дані можна відзначити, що в період спостережень з сьомої до чотирнадцятої доби відбувається уповільнення руху частини масиву. Це пояснюється формуванням активного опіру з боку кріплення і включенням його в роботу. На п'ятнадцяту добу спостережень відбувається різке збільшення швидкості руху масиву і на ділянці між першим і другим репером прискорення міняє знак з «плюса» на «мінус». Це свідчить про те, що швидкість руху в межах цієї ділянки збільшується по відношенню до решти частини спостережуваного масиву, рух якого сповільнюється. Тобто відбувається відділення частини приконтурного масиву від вміщуючих виробку порід і формування додаткового навантаження на кріплення. Подальші спостереження на вимірній станції показують, що на 44 добу спостережень зсуви порід в глибині масиву припиняються, при цьому, зовнішня межа зони зруйнованих порід розташовується між першим і другим реперами.
Для оцінки розміру відокремленої частини приконтурного масиву були побудовані графіки прискорення зсувів реперів на різні моменти спостережень (рис. 8).
Як видно з приведених даних глибина обвалення на 15 добу спостережень склала 2,4 м.
Аналогічні результати були отримані і на решті вимірних станцій.
Для розрахунку додаткового навантаження на кріплення від ваги обрушених порід, необхідно прогнозувати глибину можливого обвалення порід в межах ЗЗП. В табл. 3 наведені результати зіставлення розмірів ЗЗП, розрахованих по методиці, яка викладенав розділі 2 з розмірами області обвалення, встановленими по графіках прискорень зсувів глибинних реперів.
Таблиця 3.
Результати зіставлень розмірів ЗЗП з розмірами області обвалення
Номер вимірної станції | Висота обвалень за даними графіків,
м | Час обвалень за даними графіків,
діб | Розрахунковий розмір ЗЗП,
м | Розрахунковий час утворення ЗЗП,
діб
1 | 2,40 | 15 | 2,8 | 17
2 | 3,80 | 18 | 4,2 | 25
3 | 3,70 | 28 | 4,5 | 38
4 | 2,80 | 64 | 3,5 | 84
5 | 1,90 | 166 | 2,4 | 191
6 | 0,90 | 40 | 1,1 | 59
7 | 0,65 | 22 | 0,8 | 34
8 | 1,20 | 75 | 1,4 | 95
9 | 2,70 | 15 | 3,4 | 21
10 | 3,50 | 38 | 4,0 | 57
З наведених даних видно, що висота обвалення порід, з деяким запасом, може бути прийнята рівною розрахунковому розміру ЗЗП.
Аналогічні результати були отримані при зіставленні розрахункового розміру ЗЗП з даними випуску породи, що виконані при перекріплюванні виробок.
Четвертий розділ дисертації «Дослідження особливостей деформації виробки при порушенні рівноважного стану системи «кріплення - масив» присвячений оцінці впливу перекріплювання гірничих виробок на їх подальшу стійкість.
Досвід підтримки виробок показує, що ведення ремонтних робіт порушує рівноважний стан системи «кріплення - масив», що склався, і приводить до інтенсивної деформації масиву, що вміщує виробку, що негативно позначається на післяремонтному стані виробки. При цьому, основними чинниками, що впливають на їх подальшу стійкість є ступінь деформації поперечного перетину виробки до моменту початку перекріплювання і площа перетину виробки начорно при її проведенні і після перекріплювання.
Дослідження впливу ступеня деформації поперечного перетину виробки до моменту початку перекріплювання на її подальший стан проводилися на моделях з еквівалентних матеріалів і в шахтних умовах на вимірних станціях, обладнаних контурними і глибинними реперами.
Ступінь деформації оцінювався параметром :
, %, (10)
де S0 і S1– відповідно перетин виробки начорно при її проведенні і перед початком перекріплення, м2.
У моделях з еквівалентних матеріалів ступінь деформації , з урахуванням збереження мінімальних зазорів, змінювався в межах 16-31 %.
Моделювалася порода з міцністю на одноосне стиснення 40-60 МПа і глибина розміщення виробки до 1000 м. Всього було відпрацьовано 3 моделі.
Шахтні дослідження особливостей деформації виробок після їх перекріплення проводилися в умовах шахт ім. Г.Г. Капустіна ДП «Лісичанськвугілля» і ім. М.І. Калініна ДП «Донецьквугілля». Комплексні вимірні станції були обладнані в чотирьох виробках, перекріплювання яких здійснювалося при ступені деформації поперечного перетину від 25% до 59%.
Спостереження за зсувами порід на контурі виробки і в глибині масиву проводилися за 2-3 місяці до перекріплювання і протягом 10-12 місяців після перекріплювання.
В результаті проведених досліджень було встановлено наступне:
1. При порушенні рівноважного стану системи «кріплення-масив», що пов'язано з перекріплюванням виробки, зсуви її контура після ремонту менше там, де ступінь деформації поперечного перетину виробки до моменту початку перекріплення була більшою.
2. Якщо до моменту перекріплювання виробки, зона крихкого руйнування (ЗЗП) навколо неї не закінчила своє формування, то до 80% зсувів контуру виробки після перекріплювання відбувається за рахунок подальшого руйнування порід в межах цієї зони, а решта частини – за рахунок збільшення розмірів ЗНД якщо ж до моменту перекріплювання зона крихкого руйнування сформувалася повністю, то до 80% зсувів контуру виробки після перекріплювання відбувається за рахунок збільшення розмірів ЗНД.
3. Порушення рівноважного стану системи «кріплення-масив», викликане перекріпленням виробки, приводить до збільшення розмірів ЗНД: у 1,05–1,4 рази у порівнянні з розмірами ЗНД на контрольних ділянках.
Для визначення зсувів контуру виробки, викликаних порушенням рівноважного стану системи «кріплення-масив», розв'язувався окремий випадок завдання, викладеного в розділі 2, про вплив перекріплювання виробки на процес формування навколо неї зони непружних деформацій з урахуванням стану виробки до моменту початку перекріплювання.
Результати рішення задачі були оброблені у вигляді графіків залежності відносних зсувів контуру виробки після перекріплювання від ступеня деформації поперечного перетину до моменту перекріплювання () (рис.9).
У п'ятому розділі «Розробка способів забезпечення стійкості виробок глибоких шахт» представлені нові напрями рішення цієї проблеми.
З метою максимального використання несучої здатності порідного масиву і поліпшення умов навантаження кріплення, на основі управління напружено-деформованим станом вміщуючого виробку масиву був розроблений спосіб «кріплення-охорона».
Ідея способу полягає в поєднанні розвантаження вміщуючого виробку масиву від підвищених напруг з процесом кріплення. Це дозволяє використовувати несучу здатність порідного масиву і понизити матеріальні і трудові витрати на проведення і підтримку гірничих виробок.
Суть способу (рис. 10) полягає в утворенні навколо виробки, на заданому видаленні від її контуру, зони знижених напруг шляхом підривання камуфлетних зарядів ВР в трубчастих анкерах. При цьому енергія вибуху витрачається на утворення зони розвантаження і розвальцьовування
