ДОНЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ЛЯШОК ЯРОСЛАВ ОЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 622.834.2 (043.3)

РОзрОбка способу ЗАПОБІГАННЯ вИвалІв порІд ПОкрІвлІ в лавах пологИх пластІв при вИЙмАННІ ВугІЛля механІзОванИми комплексами

Спеціальність: 05.15.02 - Підземна розробка родовищ корисних копалин

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк – 2000

Дисертація є рукописом

Роботу виконано в Донецькому державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник – кандидат техн. наук, доц. Соловйов Геннадій Іванович, доцент кафедри розробки родовищ корисних копалин Донецького державного технічного університету

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, доцент Клішин Микола Кузміч, професор кафедри розробки пластових родовищ Донбаського гірничо-металургійного інституту, м. Алчевськ

кандидат технічних наук, с. н. с. Мухін Євген Петрович, ведучий науковий співробітник лабораторії управління покрівлею Донецького науково-дослідного вугільного інституту

Провідна установа: Національна гірнича академія України (Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ)

Захист відбудеться “22” грудня 2000р о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д11.052.05 при Донецькому державному технічному університеті за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, 1-й учбовий корпус, ауд. 201.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донецького державного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, 2-й учбовий корпус.

Автореферат розісланий “20” листопада 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 11.052. 05

доктор техн. наук, проф. М.Р. Шевцов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В останні роки значний спад виробництва у вугільній галузі України обумовлено рядом причин. Однією з них є постійне погіршення гірничо-геологічних умов відробки пластів у зв’язку з переходом гірничих робіт на великі глибини. При цьому постійно знижується навантаження на очисні вибої. В лавах, обладнаних механізованими комплексами, впродовж 1975-1985 років воно зменшилося з 860 до 666 т (22,6%), за період 1985-1991 роки - до 480 т (28%), 1991-1997 роки – до 340 т (31%).

Аналіз звітних даних і досвіду відробки вугільних пластів на шахтах Донбасу за період з 1971 по 1997 роки показує, що погіршення техніко-економічних показників роботи лав значною мірою визначається збільшенням об’ємів вивалів порід покрівлі в привибійному просторі, що підтримується. В зв’язку з цим кількість аварій зростає на 30%, видобуток вугілля знижується на 10-40%, зольність вугілля збільшується в середньому на 2-5%; витрати на транспорт, складування та утилізацію породи на поверхні зростають на 5-10%. Це означає, що пошук і розробка способів запобігання або різкого зменшення вивалів порід покрівлі в лавах пологих пластів, який забезпечує зростання техніко-економічних показників роботи очисних вибоїв і підвищення безпеки праці робітників, є актуальною науково-прикладною задачею для вугільної галузі.

Дисертацію виконано в плані одного з основних наукових напрямків Донецького державного технічного університету та в рамках держбюджетної теми, фінансованою Міністерством освіти та науки України (номер держреєстрації 0198U002306).

Мета роботи полягає в науковому узагальненні та обґрунтуванні способу запобігання вивалів порід покрівлі в лавах пологих пластів при вийманні вугілля механізованими комплексами в складних умовах глибоких шахт.

Ідея роботи полягає в пошукі та використанні технологічних рішень, що зменшують шкідливий вплив опорного тиску і важкообвалюємих порід основної покрівлі на прояви гірничого тиску в привибійному просторі лави (не припустити великого розкриття тріщин і вивалів порід безпосередньої покрівлі).

Методи досліджень. Для досягнення поставленої мети в роботі використовується комплексний метод, який вміщує шахтні інструментальні спостереження наближень вміщуючих порід у привибійному просторі лави та вимірювання навантажень на секції механізованих кріплень впродовж робочого циклу (виймання смуги вугілля), візуальні спостереження за формуванням тріщин і вивалами порід безпосередньої покрівлі, аналітичні дослідження напружено-деформованого стану порід покрівлі при зміні умов їх осідання та обвалення у виробленому просторі лави, лабораторні дослідження на моделях з еквівалентних матеріалів, промислові випробування та впровадження запропонованого способу зведення опорних конструкцій позаду секцій мехкріплення в міру їх пересування.

Основні наукові положення та результати, що виносяться на захист, і їх новизна.

1. На глибинах більше 1000м при відробці пологих пластів товщиною 1,3-1,8м з породами основної покрівлі що важкообвалюються встановлені особливості зміни стану й поведінки відносно слабких порід безпосередньої покрівлі, що полягають у руйнуванні їх в зоні тимчасового опорного тиску (утворення тріщин за нормаллю до напластування, частота їх 0,4-0,6м) й інтенсивному вивалоутворенні під час оголення в період виймання вугілля комбайном і пересування механізованого кріплення.

2. Протягом робочого циклу в привибійному просторі лави встановлено рівень наближень порід покрівлі та підошви не менше 10-15% виймальної товщини пласта; при цьому основна доля наближень (до 80%) відбувається в період виймання вугілля комбайном і пересування секцій мехкріплення, вздовж лави активний вплив цих технологічних процесів спостерігається на дільниці приблизно в 19-22м.

3. Теоретично й експериментально розкритий механізм підвищення стійкості порід покрівлі, що оголюються у привибійному просторі лави при віднесенні якомога далі місця повних осідань важкообвалюємих пісковиків основної покрівлі, який полягає в формуванні в породах безпосередньої покрівлі, що підтримуються області горизонтальних стискаючих напружень, в зменшенні на 10-15% горизонтальних розтягуючих напружень поблизу вибою, в 2 рази нормальних стискаючих напружень в місці заділки порід покрівлі та приблизно на 25-30% розміру максимального опорного тиску попереду лави.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується: об’єктивним аналізом раніше виконаних досліджень і досвіду ведення очисних робіт у складних умовах великих глибин; достатнім обсягом шахтних інструментальних і візуальних спостережень проявів гірничого тиску (виконаним згідно до типових методик) в трьох лавах, які відробляються в подібних гірничо-геологічних умовах, але мають різну гірничо-технологічну обстановку навколо етажа або яруса, що відробляється; коректним використанням методів теорії опору матеріалів і будівничої механіки для вивчення напружено-деформованого стану порід безпосередньої покрівлі, що підтримуються; результатами лабораторних досліджень на моделях з еквівалентних матеріалів; даними промислових випробувань і впровадженням у чотирьох лавах модернізованого способу управління важкообвалюємими пісковиками основної покрівлі при вийманні вугілля механізованими комплексами.

Наукове значення роботи полягає в поширенні геомеханічних знань особливостей шкідливого впливу опорного тиску та важкообвалюємих пісковиків основної покрівлі на прояви гірничого тиску в привибійному просторі лав, що відробляються на великих глибинах; в розкритті механізму зміни та покращення стану і поведінки порід безпосередньої покрівлі, які підтримуються при удосконаленні способу управління покрівлею повним обваленням.

Практичне значення роботи полягає в розробці способу запобігання вивалів порід покрівлі в лавах пологих пластів при вийманні вугілля механізованими комплексами, який базується на зведенні позаду секцій мехкріплення, що рухаються опорних конструкцій, які збільшують відстань від вибою лави до місця повних осідань важкообвалюємих пісковиків основної покрівлі.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи. Спосіб зведення позаду мехкріплення дерев’яних опор (сполучення брусів і кустів) на дільницях поганої стійкості відносно слабких порід безпосередньої покрівлі випробуваний і впроваджений у наступних лавах: 2-га північна лава пласта l3, 2-га південна лава пласта l7, північна лава пласта l7 шахти ім. О.Г.Стаханова; 7-ма південна лава пласта l1 шахти “Росія” ДХК “Селидіввугілля”. Використання модернізованого способу управління важкообвалюємими пісковиками основної покрівлі забезпечує зменшення кількості вивалів в лавах в середньому на 80-90%, тобто, підвищується безпека та ефективність праці робітників.

Апробація роботи. Результати досліджень викладені, обговорені й отримали підтримку на щорічних науково-практичних конференціях аспірантів і молодих спеціалістів – випускників гірничого факультету ДонДТУ (1997-2000), на 8-му міжнародному симпозіумі “Геотехніка-98” (м.Устронь, Польща), міжнародній науково-практичній конференції, присвяченій 100-річчу НГА України (1999, м. Дніпропетровськ), спільному розширеному засіданні кафедр “Розробка родовищ корисних копалин” і “Гірнича геомеханіка” ДонДТУ (2000р.).

Публікації. Основні наукові та прикладні результати роботи опубліковані в п’яти наукових працях, чотири з них фахові видання України.

Структура й обсяг дисертації: вступ, п’ять розділів і висновок; викладена на 142 сторінках, вміщує 34 рисунка, 9 таблиць, список літературних джерел зі 116 найменувань, додатки на 7 сторінках.

Основний зміст роботи

Вивченню проявів гірничого тиску та розробки шляхів і способів підвищення стійкості порід покрівлі в лавах тонких і середньої товщини пологих вугільних пластів присвячено дуже багато досліджень. Результати їх достатньо повно викладені в роботах вітчизняних і іноземних вчених Г.М.Кузнєцова, А.А.Борисова, В.Т.Давідянца, А.А.Орлова, Ю.А.Коровкіна, А.І.Глушихіна, Є.Д.Дубова, В.П.Зубова, І.А.Кіяшка, І.Л.Черняка, О.Якобі, Г.Ірресбергера, Г.Хервига та багатьох інших. Аналіз показує, що основні труднощі ведення очисних робіт пов’язані з розкриттям та утворенням тріщин у породах покрівлі та вивалами їх в очисну виробку. Головний вплив на стійкість порід покрівлі здійснює наступний комплекс взаємопов’язаних чинників: початковий напружений стан пласта і вміщуючих порід (глибина розробки); міцність, товщина та природна тріщинність порід безпосередньої покрівлі; наявність в основній покрівлі важкообвалюємих порід; гірничо-технологічна обстановка навколо лави, що відробляється (наявність вироблених просторів); швидкість просування лави; тип використаного кріплення та його робочі характеристики; дотримання технічних і технологічних правил і вимог експлуатації кріплення (наявність необхідної культури виконання робіт).

Механізовані кріплення є прогресивними й ефективними засобами підтримання покрівлі в привибійному просторі лави. Однак не слід переоцінювати їх роль під час ведення очисних робіт на великих глибинах, коли все більший негативний вплив на стан покрівлі в лавах надають природні та гірничо-технологічні чинники. В цих умовах важливо зберегти або різко зменшити шкідливий вплив на природну (початкову) стійкість порід безпосередньої покрівлі, які потрапляють і знаходяться в привибійному просторі лави. В цьому плані прогресивними є наступні способи: зменшення величини опорного тиску та часу його дії на краєву частину вугільного масиву; зменшення шкідливого впливу осідань і обвалень товстих і міцних порід основної покрівлі.

Серед спеціалістів поширене переконання, що спосіб послаблення (розвантаження шляхом свердління свердловин і нагнітання води) краєвої частини пласта з віднесенням максимуму опорного тиску в глибину масиву є достатньо ефективним з точки зору збереження природної та зменшення експлуатаційної тріщинності порід безпосередньої покрівлі під час ведення очисних робіт у складних умовах великих глибин. Такі уявлення не можна вважати достатньо обгрунтованими. При такому способі в цілому величина опорного тиску (різного за величиною) неодмінно призведе до більшої порушеності порід покрівлі до часу їх оголення та підтримання в привибійному просторі лави.

Виходячи з викладеного, сформульовані мета й ідея роботи, визначені наступні задачі дослідження:

- на пластах з відносно слабкими і невеликої товщини породами безпосередньої покрівлі, важкообвалюємими породами основної покрівлі та на великій глибині розробки вивчити в лавах особливості осідань і зрушень порід покрівлі, сприяття навантажень мехкріпленнями при виконанні технологічних процесів з виймання вугілля;

- провести аналітичні дослідження напружено-деформованого стану порід безпосередньої покрівлі при різних умовах осідань та обвалень порід основної покрівлі у виробленому просторі;

- провести перевірку в лабораторних умовах способу управління породами основної покрівлі;

- провести промислові випробування та впровадження модернізованого способу управління важкообвалюємими породами основної покрівлі у виробленому просторі лави.

У другій главі викладені результати інструментальних і візуальних спостережень проявів гірничого тиску в трьох лавах шахти ім. О.Г. Стаханова, які відробляли в подібних гірничо-геологічних, але в різних гірничо-технологічних умовах. Товщина пластів l3 і l7 коливається в межах 1,3-1,8м, кут падіння 6-80, безпосередня покрівля – глинисті та піскові сланці 1,5-5м, межа їх міцності на стискання 40-50МПа, основна покрівля пісковики – 10-30м з межею міцності 80-90МПа, глибина розробки 800-1200м. Варіанти відробки запасів: виймання вугілля здійснюється одиночною лавою, відокремленою від раніше вироблених просторів; лава з одного боку примикає до раніше виробленого простору суміжної лави, з іншого до масиву вугілля; з двох боків відробляємої лави є вироблені простори суміжних лав. Очисні роботи вели механізованими комплексами першого покоління (КМТ, КМ88).

У кожній лаві протягом двох місяців вели візуальні спостереження за розкриттям і утворенням тріщин в породах покрівлі, вивалами порід і обваленнями їх позаду мехкріплення; стояками СУІ-2 вимірювали наближення порід покрівлі та підошви біля кромки вибою та на відстанях 1 і 2м від вибою; манометрами типу ОБМГ-160 вимірювали навантаження на кріплення під час його зведення (початковий розпір), в період виймання вугілля, пересування кріплення, без впливу робочих процесів. В силу важкодоступності товщи за отриманими проявами гірничого тиску з визначеним ступенем наближення визначали причини поганої стійкості порід покрівлі в лаві.

Згідно з спостереженнями на глибинах 1000м і більше при відробці пластів товщиною 1,3-1,8м, що залягають разом з породами покрівлі та підошви типу глинистих і піскових сланців товщиною до 3-4м серед товстих і міцних пісковиків, у привибійному просторі лав різко збільшуються шкідливі прояви гірничого тиску в формі розкриття й утворення тріщин, вивалів і висипань порід покрівлі. Основна причина поганої стійкості порід покрівлі, що підтримуються – це їх руйнування попереду вибою лави великим і динамічним опорним тиском. За інших рівних умов величина останнього визначається головним чином глибиною розробки, наявністю навколо лави вироблених просторів і довжиною зависаючої консолі важкообвалюємих порід основної покрівлі пласта. В геомеханічному плані найбільш сприятлива відробка одиночної лави, відокремлоної від вироблених просторів великими масивами або захисними смугами вугілля шириною 150-250м. Наявність з двох боків відробляємої лави вироблених просторів суміжних лав визначає найгірші геомеханічні умови ведення очисних робіт. Слід відзначити, що зруйновані опорним тиском свіжеоголені породи безпосередньої покрівлі пласта далі при вийманні наступних смуг вугілля відчувають багаторазову активізацію зрушень (майже 5 разів аж до обвалення), внаслідок якої додатково зменшується ступінь стійкості порід у привибійному просторі лави. Позаду лави пісковики основної покрівлі осідають на достатньо податливу опору з малої товщини обвалених порід безпосередньої покрівлі. У зв’язку з цим місце повних осідань пісковиків (змикання їх з обваленими та ущільненими породами) наближається до вибою лави. При цьому збільшується згин або прогин порід основної покрівлі та її негативна дія на породи безпосередньої покрівлі, що підтримуються (за шириною привибійного простору).

Встановлено, що за час робочого циклу (виймання смуги вугілля) в умовах, що розглядаються у привибійному просторі лав наближення порід покрівлі та підошви складають не менше 10-15% виймальної товщини пласта. Основна частка осідань порід безпосередньої покрівлі (до 80%) відбувається в період виймання вугілля комбайном і пересування секцій механізованого кріплення. Вздовж лави активний вплив технологічних процесів відмічається на дільниці довжиною приблизно 19-22м, з них попереду від місця пересування кріплення 14-17м, позаду нього 4-5м (рис.1)

Рис. 1. Зміна навантаження на кріплення (а) та швидкість наближення вміщуючих порід біля вибою (б) в 2-й північній лаві пласта l3

Секції мехкріплення, що зведені з початковим розпором 750-920кН, тільки через 30-45 хвилин сприймали повне робоче навантаження приблизно 2800-2900кН. У встановленому режимі роботи (без впливу виймання вугілля) секції мехкріплення за довжиною лави сприймають нерівномірне навантаження – коливання його в межах 2500-3200кН. В період виймання вугілля та пересування кріплення навантаження на секцію зростає в 1,3-1,4рази. Характерно, що під час посадки пісковиків основної покрівлі навантаження на секції, що сприймають робочий тиск у встановленому режимі, збільшуються в середньому на 20%. Навіть перед розвантаженням і пересуванням секції завжди сприймали навантаження на 35-40% менше порівняно з його припустимою величиною згідно з технічною характеристикою.

Увесь комплекс виконаних візуальних і інструментальних спостережень дозволяє прийти та керуватися наступною робочою гіпотезою. В складних природних і геомеханічних умовах великих глибин при вийманні вугілля сучасними механізованими комплексами для забезпечення стійкості порід безпосередньої покрівлі в привибійному просторі лав (запобігання їх вивалів) слід у першу чергу гірничо-технологічними рішеннями новими, або модернізованими способами зменшити (пом’якшити) шкідливу дію на них взаємопов’язаних чинників опорного тиску, осідань і розломів важкообвалюємих порід основної покрівлі пласта. Потім (або разом з цим) модернізованими або новими механізованими кріпленнями запобігти можливу (залишкову) небезпеку вивалів порід покрівлі, що оголюються та підтримуються.

У третій главі виконані дослідження напружено-деформованого стану порід безпосередньої покрівлі при різній дії на них важкообвалюємих пісковиків. При цьому варіювали шириною привибійного простору та віднесенням місця повних осідань порід основної покрівлі якомога далі у вироблений простір, (використовуючи штучні опори). Цілком ймовірно, що за повною відсутністю прогину (згину) порід основної покрівлі мали б найкращий варіант управління покрівлею в умовах, що розглядаються. Звідси, чим менше прогин основної покрівлі, тим реально далі від вибою вона спирається на практично повністю ущільнені обвалені породи.

При вирішенні такої задачі зроблено припущення: гірничі породи являють собою пружне середовище; використовуються методи теорії опору матеріалів і будівничої механіки. Оскільки товщина породних шарів безпосередньої покрівлі відповідає або декілька менше довжини її прольоту, що підтримується (відношення довжини балки до її висоти менше п’яти), то для визначення рівня напружень і характеру їх розподілу в породах покрівлі привибійного простору більш прийнятний розрахунок балки-стінки. Він зводиться до вирішення відомого бігармонійного рівняння:

(1)

де функція, через яку виражаються нормальні (x), розтягуючі (y) та касальні () напруження, значення яких дорівнюють:

, (2)

Вирішення рівняння (1) здійснено методом кінцевих різниць (методом сіток). За допомогою квадратної або прямокутної сітки область балки-стінки, яка досліджується розбивали на елементи з позначеням її вузлів. Похідні в рівняннях (1) і (2) заміняли їх кінцево-різничними виразами, які легко отримуються за допомогою рядів Тейлора:

, (3)

, (4)

, (5)

, (6)

, (7)

. (8)

Щоб встановити характер (вид) навантаження основної покрівлі, що діє на породи безпосередньої покрівлі, спочатку визначили в ній величини напружень. Розрахунок показав, що породи основної покрівлі в найбільшій мірі впливають на шари порід безпосередньої покрівлі, які знаходяться поблизу вибою лави. Тут у першу чергу треба чекати появи техногенних тріщин (від гірничого тиску) внаслідок дії розтягуючих напружень в площині напластування порід.

Рівень напружень в породах безпосередньої покрівлі визначали при звичайному (традиційному) управлінні покрівлею повним обваленням і при модернізованому варіанті цього способу, що вміщує встановлення опорних конструкцій за секціями механізованого кріплення. У розрахунках прийнято: товщина важкообвалюємих пісковиків 30м, межа їх міцності на одновісне стискання 80МПа, товщина пласта і порід безпосередньої покрівлі відповідно 1,8 і 2,2м, межа міцності останніх 30МПа. У першому варіанті розрахунку балка-стінка спираєтся на перекриття секцій мехкріплення та краєву частину вугільного пласта; при цьому навантаження розподіляється в формі трикутника і зменшується в напрямку від вибою лави в бік виробленого простору (рис.2а). Це обумовлено тим, що осідаючі породи основної покрівлі в місці своєї заділки мають найбільший рівень напружень. В другому варіанті балка-стінка спирається на краєву частину вугільного пласта, на перекриття секцій мехкріплення та додаткові опорні конструкції, що зводяться позаду мехкріплення (рис.2б). З визначеним ступенем приближення навантаження на неї розподіляється рівномірно, що обумовлено суттєвим збільшенням довжини прольоту порід покрівлі що підтримується.

При традиційному способі управління покрівлею встановлено, що в найнижчому породному шарі товщиною приблизно 0,6м практично з усієї ширини привибійного простору діють розтягуючі напруження в площині напластування порід. Максимальні значення їх спостерігаються в області порід, що прилягають до грудей вибою лави, що відробляється. Тут маємо найбільшу вірогідність вивалів порід покрівлі. Над перекриттям секції мехкріплення значення розтягуючих напружень зменшуються в міру наближення до виробленого простору. У цілому з боку виробленого простору лави дії розтягуючих напружень зазнає шар порід безпосередньої покрівлі товщиною не менше 1м. Максимальні значення нормальних напружень відмічаються в місці заділки (защімлення) порід безпосередньої покрівлі. З боку виробленого простору на контакті перекриття вони за величиною навіть більші, ніж на контакті з породами основної покрівлі пласта. Такий розподіл нормальних напружень, використаний до реальних умов, буде сприяти різному розшаруванню порід безпосередньої покрівлі з ширини привибійного простору лави.

При модернізації способу управління покрівлею, тобто додатковому зведенні позаду мехкріплення штучних опор, видозмінюється картина перерозподілу напружень в породах безпосередньої покрівлі пласта. Поблизу вибою лави (в найнижчому шарі порід покрівлі) розтягуючі напруження в площині напластування порід зменшуються на 10-15% (у цьому критичному місці слід очікувати меншу ймовірність вивалів порід покрівлі). За шириною привибійного простору лави маємо різний характер дії напружень у площині напластування порід: над перекриттям секцій мехкріплення (у шарі, що прилягає) породи зазнають розтягуючих напружень, а над додатковою опорою за мехкріленням формується область горизонтальних стискаючих напружень. Це означає, що наявність опор призводить до збільшення в породах покрівлі горизонтального розпору, спрямованого в бік вибою лави. У місці заділки (защімлення) порід покрівлі пласта рівень нормальних напружень приблизно в 2 рази менше порівняно з відробкою лави без використання опор. Над останніми маємо самий високий рівень нормальних стискаючих напружень, при цьому чисельне значення цих напружень зростає у напрямку від основної покрівлі до опори. У цілому збільшення прольоту покрівлі що підтримується та віднесення місця повних осідань важкообвалюємих пісковиків якомога далі від вибою лави супроводжується більш сприятливою картиною розподілу напружень з точки зору збереження стійкості порід покрівлі в привибійному просторі.

Рис. 2. Розрахункова схема балки-стінки порід безпосередньої покрівлі при традиційному обваленні покрівлі (а) і при зведенні опор у виробленому просторі (б).

У четвертій главі викладені результати лабораторних досліджень методом еквівалентних матеріалів проявів гірничого тиску при відробці лав і різних способах підтримання порід покрівлі. При цьому масштаб моделювання 1:100, дослідження проведені на плоскому стенді з лінійними розмірами 1,0Ч0,8м. Оскільки стенд дозволяє імітувати товщу товщиною не більше 100м, в роботі використано приблизний метод моделювання глибини розробоки: тиск вищележачого гірничого масиву створювали за допомогою пневматичних балонів, підключених до компресора. Зменшення впливу межних умов у моделі здійснювали шляхом відділення шарів еквівалентного матеріалу від бокових стінок стенда. Еквівалентний матеріал виготовляли з кварцевого піску з додаванням в якості зв’язуючого комбінацій парафіна і каніфолі. Компресійні характеристики опор підбирали так, щоб вони відповідали деформаційним характеристикам дерев’яних кустів. В якості матеріалу для імітації останніх використовували поролон, пропитаний 80% водним розчином ігдантіну. У двох відроблених моделях відтворювали геологічний розріз товщи порід стосовно до відробки пласта l3 шахти ім. О.Г.Стаханова. Після кожної заходки (вирізу пласта) вимірювали датчиками тріння питомий тиск і зрушення порід покрівлі за двома рядами реперів (один ряд у безпосередній покрівлі, другий – в основній). Крім цього, здійснювали фотографування картин розшарування та руйнування порід покрівлі, фіксували утворення різного роду тріщин. Ширина вирізу (заходки) 2,5см відповідала добовому просуванню лави в натурних умовах (2,5м/доб).

При використанні традиційного способу управління покрівлею (без додаткових опор) встановлено, що зависання великих консолей важкообвалюємих пісковиків основної покрівлі призводить до збільшення рівня опорного тиску в привибійній зоні пласта (попереду вибою лави) і зрушень порід покрівлі, що підтримуються в межах ширини привибійного простору. При глибині розробки, яка моделюється, біля 1000м, і встановленому режимі обвалень порід покрівлі максимум опорного тиску досягає 350-360кПа і розташовується на відстані 5-6см (в натурі 5-6м) від вибою лави. Характерно, що величини зрушень порід безпосередньої покрівлі в середньому в 3 рази більше порівняно зі зрушеннями пісковиків основної покрівлі. У межах відстані обвалення (приблизно 30м) зависаючих консолей пісковиків основної покрівлі рівень тимчасового опорного тиску попереду лави, що рухається, зростає в середньому на 20%. Це ще раз дає підставу стверджувати, що попереду лави в межах зони дії опорний тиск змінюється не тільки за величиною, але і за напрямком. Він, образно кажучи, топче відносно слабкі породи безпосередньої покрівлі. У привибійний простір останні потрапляють вже в визначеній мірі травмованими (зростає ступінь тріщинності порід внаслідок розшарування та руйнування). Над привибійним простором, що підтримується у підробленій товщі розшарування порід спостерігається на висоту, величина якої приблизно дорівнює 3-4 товщини пласта, що відробляється. Тобто, породи безпосередньої покрівлі типу глинистих і піскових сланців втрачають зв’язок з пісковиками основної покрівлі. При багаторазовій дії пересувань секцій механізованого кріплення (розвантаження та розпору секцій) вони будуть у ще більшій мірі втрачати свою здібність до збереження стійкості. Позаду вибою лави, що рухається (в межах привибійного простору), травмування порід безпосередньої покрівлі здійснюється з одного боку пісковиками основної покрівлі, що згинаються, а з іншого – багаторазовим механічним впливом механізованого кріплення, яке використовується.

При модернізованому способі управління покрівлею опори позаду секцій мехкріплення встанавлювали через 5см (в натурі 5м), оскільки експериментально було встановлено, що при відстанях між опорами 3-5см не спостерігається суттєвого збільшення величин проявів гірничого тиску, що фіксуються. Відробка моделі показала наступні особливості поведінки та стану вміщуючих порід. Величина максимального опорного тиску попереду лави, що рухається, зменшується приблизно на 25-30%. Місце прикладання максимуму опорного тиску переміщується (відсувається) в глибину масиву на 1-2м. Над привибійним простором лави спостерігаються менші розшарування порід покрівлі, що підтримуються (за даними моделі зрушення зменшуються в 2 рази). У виробленому просторі лави в місцях встановлення опор спостерігається збільшення питомого тиску на 22-27% на породи підошви пласта, які підстилаються. Максимальний тиск сприймають опори, розташовані на відстані 15-20м від привибійного простору лави. У цілому виявлені шляхом моделювання особливості зміни проявів гірничого тиску свідчать, що в реальних умовах шахт слід очікувати кращої стійкості порід безпосередньої покрівлі пласта, що підтримуються.

У п’ятій главі наведені результати промислових випробувань способу зведення позаду мехкріплення дерев’яних опор для зменшення шкідливих проявів гірничого тиску в лавах. Випробування вели в трьох лавах шахти ім. О.Г.Стаханова, стан покрівлі в яких було детально вивчено до опробування та викладено в другій главі роботи. В якості опор використовували сполучення рамного та кустового дерев’яних кріплень. Це найбільш просте вирішення в технічному та технологічному плані. Відстань встановлення опор приймали 5м. При використанні комплексу КМТ технологія встановлення опор була наступною. Вздовж перекриття трьох секцій на кожну з них укладали два чотириметрові дерев’яні бруси так, щоб їх консольні частини довжиною 0,5м виступали у вироблений простір. Для забезпечення доступу в останній на секціях кріплення МТ демонтували бокові огорожі. У міру пересування секцій мехкріплення під бруси через кожні 1,26м встановлювали кусти з чотирьох дерев’яних стояків. Кусти обвивали відрізками каната, що збільшувало їх несучу здібність на 50-70%. При використанні комплексу КМ88 технологія зведення опор була майже аналогічною. Різниця лише в тому, що на перекриття секцій укладали 3 дерев’яних бруси і замість кустів під них через 0,6м встановлювали стояки.

У 2-й північній лаві пласта l3 найбільші прояви гірничого тиску у вигляді вивалів порід покрівлі були в середній частині лави на дільниці довжиною приблизно 25м. На цій дільниці в міру просування лави під бруси встановлювали 4 ряди опор. У 2-й південній лаві пласта l7 вивалонебезпечна 45-метрова дільниця покрівлі розташовувалася у верхній частині лави (по підняттю вона примикала до раніше виробленого простору). На цій дільниці зводили 5 рядів дерев’яних опор. У північній лаві пласта l7 були найбільш несприятливі умови відробки, тому що з двох боків виймального стовпа розташовувалися вироблені простори раніше відроблених суміжних лав. У ній було дві вивалонебезпечні дільниці порід покрівлі довжиною 10 і 20м. На 10-й дільниці зводили два ряди опор, на 20-й – три ряди (опори у вигляді рамних конструкцій). У лавах спостереження за проявами гірничого тиску вели безперервно впродовж виймання 50-60 смуг вугілля. При цьому визначали зрушення бокових порід на різній відстані від вибою (безпосередньо біля вибою та на відстанях 1 і 2м), вели спостереження за станом і поведінкою вміщуючих порід у виробленому просторі між опорними конструкціями. Весь комплекс спостережень проводили як в період відстою лави, так і під час виймання вугілля та пересування кріплення.

Промислові випробування показали, що при встановленні дерев’яних опор в міру просування лави для збільшення довжини зависаючих консолей порід основної покрівлі (віднесення місця її змикання з обваленими й ущільненими породами покрівлі на більшу відстань) секції мехкріплення практично не зазнають підвищених навантажень порівняно з роботою без використання опор. Згідно замірам маємо навіть зниження навантажень, що сприймаються на 7-11%. Вздовж лави зона впливу технологічних процесів виймання вугілля та пересування кріплення практично не змінюється. Однак є одна особливість: вплив пересування секцій на навантаження сусідніх секцій (вище по підняттю) відчувається на дільниці довжиною 2-3м, тобто довжина цієї дільниці на 2м менше, ніж при роботі без опор. Це можна пояснити тільки перерозподілом навантаження, яке формується не тільки на суміжні секції, але й на додатково зведені опори.

Характерно, що в лавах на дільницях розташування опор глибина зони віджиму вугілля зменшилася приблизно в 2,5-3 рази і складає (0,05-0,1)m, де m – товщина пласта, що відробляється, м. Без використання опор ця зона дорівнює (0,2-0,3)m. Це означає, що опорний тиск завдає меншого шкідливого впливу на пласт і породи безпосередньої покрівлі, що прилягають до вибою.

При роботі з встановленням опор швидкість наближення бокових порід у період виймання вугілля та пересування кріплення зменшується приблизно в 1,8-2 рази. За час робочого циклу (виймання смуги вугілля шириною 0,63м) опускання порід покрівлі складають 6-8% від виймальної товщини пласта, тобто вони зменшуються майже в 2 рази. У підсумку в лавах спостерігаються набагато кращі умови виймання вугілля – породи безпосередньої покрівлі суттєво менше руйнуються опорним тиском і дією пісковиків основної покрівлі, що згинаються. У привибійному просторі лав кількість вивалів порід покрівлі на дільницях з модернізованим способом управління покрівлею знизилася на 80-90%.

У виробленому просторі лав руйнування порід покрівлі спостерігаються при відході мехкріплення від місця встановлення опори в середньому на 4-5м. При цьому обвалюються (вірніше відшаровуються та осипаються) лише нижні шари порід безпосередньої покрівлі. На дільницях з дерев’яними опорами повне осідання важкообвалюємих пісковиків основної покрівлі візуально простежується на значно більшій відстані від привибійного простору лави.

Модернізація способу управління покрівлею повним обваленням шляхом додаткового зведення на окремих дільницях лави штучних опор позаду механізованого кріплення, що рухається, відкриває можливості використовувати на великих глибинах сучасні комплекси навіть у таких гірничо-геологічних умовах, коли за відомими геомеханічними мірками слід було б перейти, наприклад, на часткове обвалення або часткову закладку. У кінцевому підсумку такий спосіб запобігання або різкого зниження вивалів порід покрівлі забезпечує підвищення безпеки робіт і продуктивності праці робітників очисних вибоїв.

ЗАКЛЮЧЕННЯ

У дисертації надано теоретичне обґрунтування та вирішення актуальної наукової задачі, що полягає у встановленні особливостей зрушень і руйнувань порід безпосередньої покрівлі, що оголюються, розкритті механізму підвищення їх стійкості зі збільшенням відстані від вибою лави, що рухається, до місця повних осідань важкообвалюємих пісковиків основної покрівлі для запобігання або різкого зменшення вивалів порід у привибійному просторі при вийманні вугілля механізованими комплексами в складних умовах великих глибин.

Основні наукові та прикладні результати, виводи та рекомендації роботи полягають у наступному:

У складних гірничо-геологічних і гірничо-технологічних умовах великих глибин на рівень шкідливих проявів гірничого тиску в лаві (у формі вивалів порід) основний вплив завдає наступний комплекс взаємопов’язаних чинників: початковий напружений стан пласта і вміщуючих порід (глибина розробки); наявність в основній покрівлі важкообвалюємих порід; міцність, товщина та природна тріщинність порід безпосередньої покрівлі; гірничо-технологічна обстановка навколо лави, що відробляється (наявність вироблених просторів суміжних лав); величина тимчасового опорного тиску; швидкість просування лави; тип використованого кріплення та його робочі характеристики; дотримання технічних і технологічних правил і вимог експлуатації кріплення (наявність необхідної культури виконання робіт).

Механізовані кріплення є одним з основних, прогресивних і ефективних засобів управління проявами гірничого тиску та підтримання покрівлі в лавах. На великих глибинах область їх використання буде неухильно поширюватися. Разом з цим не можна переоцінювати роль мехкріплень, оскільки в складних умовах все більший негативний вплив на стан покрівлі в лавах завдають природні та гірничо-технологічні чинники. Тобто, в конкретних умовах відробки пласта рівень опорного тиску, що формується попереду лави та час його дії на краєву частину вугільного масиву, ступень шкідливого впливу осідань і обвалень товстих і міцних порід основної покрівлі. У першу чергу слід керуватися цими чинниками, а мехкріпленням компенсувати або пом’якшувати можливі (мовби залишкові) шкідливі прояви гірничого тиску в лавах.

При відробці на глибинах більше 1000м пологих пластів товщиною 1,3 – 1,8 м з відносно слабкими породами безпосередньої (до 4-5м) і важкообвалюємими пісковиками (до 30м) основної покрівлі встановлені особливості зміни стану та поведінки порід безпосередньої покрівлі, що полягають у руйнуванні їх в зоні тимчасового опорного тиску й інтенсивному вивалоутворенні при оголенні в період виймання вугілля комбайном і пересування механізованого кріплення. Чим більше запаси стовпа (лави), що відробляється, оконтурені виробленими просторами суміжних лав, тим при інших рівних умовах у привибійному просторі лави, що відробляється, зростає інтенсивність вивалів порід покрівлі.

Інструментальними спостереженнями встановлені значення зближень порід покрівлі та підошви в привибійному просторі лави не менше 10-15% від виймальної товщини пласта впродовж робочого циклу. До 80% зближень від їх загальної величини відбувається в період виймання вугілля комбайном і пересування секцій механізованого кріплення. Вздовж лави активний вплив основних технологічних процесів спостерігається на дільниці довжиною 19-22м (попереду від місця пересування кріплення на 14-17м і позаду нього 4-5м).

Секції механізованого кріплення, встановлені з початковим розпором 750-920кН, в режимі роботи, що встановився (без впливу виймання вугілля) по довжині лави, сприймають нерівномірне навантаження (коливання в межах 2500-3200кН). У період виймання вугілля та пересування кріплення навантаження зростають в 1,3-1,4 рази, але вони завжди залишалися меншими на 35-40% порівняно з припустимими величинами згідно з технічними характеристиками кріплення.

Теоретично (шляхом розрахунку балки-стінки) й експериментально (на моделях з еквівалентних матеріалів) розкрито механізм підвищення стійкості порід покрівлі, що оголюються, в привибійному просторі лави зі збільшенням відстані від її вибою до місця повних осідань важкообвалюємих пісковиків основної покрівлі, який полягає у формуванні в породах покрівлі, що підтримуються, області горизонтальних стискаючих напружень, зменшенні на 10-15% горизонтальних розтягуючих напружень поблизу вибою, в 2 рази нормальних стискаючих напружень в місці заділки порід покрівлі та приблизно на 25-30% величини максимального опорного тиску попереду лави, що рухається.

Промисловими випробуваннями підтвердждена вихідна робоча гіпотеза покращання стійкості порід покрівлі, що підтримуються, в привибійному просторі лави шляхом збільшення відстані від її вибою до місця повних осідань важкообвалюємих пісковиків. Зведення простих дерев’яних опор позаду секцій механізованого кріплення забезпечує зниження навантажень, що сприймаються секціями, на 7-11%, швидкість зближения бокових порід зменшуєтся приблизно в 1,8-2 рази, зрушення порід покрівлі складають 6-8% від виймальної товщини пласта (майже в 2 рази менше).

Модернізований спосіб управління породами покрівлі при вийманні вугілля механізованими комплексами в складних умовах пластів товщиною 1,3-1,8м впроваджено на шахтах ім. О.Г.Стаханова та “Росія” ДХК “Селидівугілля”. Він забезпечує зменшення кількості вивалів порід покрівлі в середньому на 80-90%, при цьому підвищується безпека робіт і продуктивність праці робітників.

Основні положення та результати дисертаційної роботи опубліковані в роботах:

1. Ляшок Я.А. Модернизация способа управления труднообрушаемыми породами основной кровли при выемке угля механизированными комплексами // Известия Донецкого горного института.-2000. №1.- С. 22-27

2. Ляшок Я.А. Напряженно-деформированное состояние пород непосредственной кровли при разном воздействии труднообрушаемых песчаников // Науковий вісник Національної гірничої академії України. - 2000. №2. С.14-18

3. Носач А.К., Ляшок Я.А., Краснов А.С. Исследование влияния установки опорных конструкций на состояние кровли методом эквивалентных материалов // Известия Донецкого горного института.- 1999. №1.- С.73-76

4. Ляшок Я.А., Носач А.К., Соловьев Г.И. Изучение проялений горного давления в комплексно-механизированных очистных забоях // Проблемы экологии.-1999. №1.- С.82-85

5. Геннадий Соловьев, Ярослав Ляшок Геомеханические особенности вывалов кровли в комплексно-механизированных очистных забоях. Материалы 8-го Международного симпозиума "Геотехника-98".

Особистий внесок здобувача

[3] – встановлені особливості протікання деформаційних процесів у покрівлі пластів при різних варіантах управління покрівлею.

[4] - встановлена особливість зрушень порід покрівлі в привибійному просторі лави при веденні очисних робіт на великих глибинах.

[5] - визначені основні причини зниження стійкості порід покрівлі в очисних вибоях глибоких шахт, запропоновані шляхи зменшення вивалів порід покрівлі у привибійному просторі лав.

Анотація

Ляшок Я.О. Розробка способів запобігання вивалів порід покрівлі в лавах пологих пластів при вийманні вугілля механізованими комплексами. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.02 –