CC BY
22
«НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА-2002» КРУГЛЫЙ СТОЛ
© В.А. Ткачев, О.А. Туркеничева, 2002
УДК 622.016.347
В.А. Ткачев, О.А. Туркеничева
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВЫ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК
О
дной из важнейших проблем при подземной разработке угольных месторождений является поддержание подготовительных выработок, особенно выемочных штреков. На выемочные штреки воздействует не только горное, но и опорное давление, возникающее в результате воздействия очистных работ. Поднятие пород почвы приводит к уменьшению площади поперечного сечения штрека, что оказывает отрицательное воздействие на проветривание, передвижение людей, на очистные работы и на транспортирование угля от лавы.
С целью прогнозирования пучения почвы, после прохода лавы, были проведены шахтные исследования. Экспериментальные участки охватывали весь диапазон горногеологических и горнотехнических условий пластов Российского Донбасса.
Для регистраций смещений контура выработки и отдельных слоев кровли и почвы в выемочных штреках были оборудованы измерительные станции средней сложности (по классификации ВНИМИ). Станции оборудовали во время, и после проведения штрека в 50-60 м впереди очистного забоя. В результате замеров определялись величины конвергенции пород кровли-почвы выемочных штреков, а также величина пучения почвы.
Анализ полученных данных показал, что пучение пород в выемочных штреках зависит, в основном, от вещественного состава, структуры, текстуры и прочности пород, глубины залегания выработок, опорного давления, сечения и ширины выработки, способа охраны и порядка ведения очистных работ.
В связи с тем, что на устойчивость почвы выемочного штрека совместно влияет значительное число факторов, а подбор данных с одним влияющим фактором при постоянных значениях остальных не представляется возможным, в качестве математического аппарата исследования принимается метод множественной корреляции.
В качестве фактора функции принято пучение почвы выемочного штрека (У = Утах ) после прохода очистного
забоя и наступления периода стабилизации. Основными факторами-аргументами, влияющими на конечную величину пучения почвы, были приняты: = I — пролет вы-
емочного штрека в проходке, м; х2 = т — вынимаемая мощность пласта, м; х3 = уН / осж п — критерий устойчивости пород почвы; х 4 = Ь — ширина угольного целика или бутовой полосы (м), или количество рядов железобетонных
тумб или бутокостров, штук; х5 = L -
- расстояние до лавы, м.
Так как на устойчивость почвы выемочных штреков большое влияние оказывает способ их охраны от воздействия очистных работ, результаты шахтных исследований сначала были разделены на группы с одинаковыми способами охраны выемочных штреков, а затем обработаны на ЭВМ при помощи специальной программы множественной корреляции. Анализировалась модель вида:
У = а0 +2а • f (х). (1)
и /=1
Вид функций, входящих в уравнение (1), находился путем логического анализа результатов экспериментальных исследований, полученных автором, а также литературных данных о характере влияния рассматриваемых факторов в других угольных бассейнах. Затем из ряда выражений, полученных в результате математической обработки при различных сочетаниях видов функций влияющих факторов, выбиралась наиболее адекватная зависимость.
Были получены следующие корреляционные зависимости для выемочных штреков со способом охраны: массив -- целик
2 2 ип = 3,9• I + 4,93• т -9,4/(уН/асж)-0,14• Ь + 0,76• L + 56
массив -- бутовая полоса
ип = 0,75 • 12 + 23,5 • т2 - 8,6/(уН/осжп) + 0,17 • L - 4,8 • Ь +155
массив -- бутокостры
2
ип = 110 • I + 1992 • (уН/асж п) - 0,9 • Ь + 1,51 • Ь - 727
массив -- железобетонные тумбы
2 2 ип = 9,6 • I + 42,3 • т + 46,3 • 1п(уН/есжп) + 0,0042 • Ь + 61
Проверка данных многофакторных корреляционных зависимостей в шахтных условиях показала, что отклонение фактических смещений от расчетных составило в среднем 10-13 %.
Шахтными исследованиями невозможно установить механизм взаимодействия системы «крепь — окружающий массив — охранная конструкция». Для решения этой задачи применён самый популярный среди численных методов решения задач — метод конечных элементов. Методикой предусматривалось исследование напряжённого деформированного состояния вокруг горной выработки при различных горно-геологических и горнотехнических условиях. Горно-геологические условия базового варианта приняты аналогичными условиям разработки шахтопласта кв. Из
массива выделен участок с размерами 62x80x0,11 м, глубина расположения которого 450 м (472 м до основания всей модели). Было проведено три серии расчетов. В первой серии исследовалось напряженно-деформированное состояние почвы выемочного штрека при его нахождении вне зоны влияния очистного забоя и в зоне влияния
очистного забоя при охране штрека целиками угля различной ширины (рис. 1). Во второй серии исследовалось пучение в почве выемочного штрека в зависимости от модуля упругости пород почвы. В третьей серии расчетов изучалось деформированное состояние почвы выемочного штрека в зависимости от схемы его охраны от влияния очистных работ. После машинного счета были получены компоненты напряжений и перемещений в узлах элементов массива и крепи. Кроме того, построены поля напряжений ух, уу, фху для всего выделенного массива горных пород.
Размеры целика (рис. 1) сильно влияют на общую величину пучения пород почвы. Дальнейшие исследования с вариацией ширины целика позволили установить, что наиболее адекватная зависимость величины пучения почвы выемочного
А-2002» КРУГЛЫЙ СТОЛ
Рис. 1. Графики величины пучения почвы выемочного штрека при его нахождении в массиве угля и в зоне влияния очистных работ
Рис. 2. Пучение в почве выемочного штрека в зависимости от модуля упругости пород почвы
Рис. 3. Пучение в почве выемочного штрека в зависимости от способа его охраны от влияния очистных работ
штрека от ширины угольного целика выражается уравнением 2
V = 0,08 • Ь - 3,3 • Ь + 40, где Ь — ширина целика угля, м. Исследование пучения почвы выемочного штрека в зависимости от модуля упругости пород почвы проводилось при широком спектре модулей упругости почвы: Е = (0,6; 1,53; 2,07; 5,85; 9,1)-1010 Па. Охрана выемочного штрека принята целиками угля шириной 2,6 м, т.е. наихудший вариант из проработанных в предыдущей серии (рис. 2). На напряженное состояние п
очвы выработки сильное влияние оказывают физикомеханические свойства почвы.
Анализ напряженно-деформированного состояния массива пород почвы при различных модулях упругости показал, что с увеличением модуля упругости пород почвы ее пучение уменьшается. Данная связь наиболее адекватно описывается уравнением
V = 39,7 • ехр(-0,6 • 1пЕ) • ехр(-0,05 • Е),где Е — модуль упругости пород почвы выемочного штрека, Па.
Кроме того, были проведены исследование напряженно-деформированного состояния почвы выемочного штрека в зависимости от способа его охраны. Было проработано 6 вариантов при охране выемочного штрека: целиком угля шириной 8,6 м; бутовой полосой шириной 8,6 м; целиком угля шириной 2,6 м + бутовая полоса шириной 4м; целиком угля шириной 4 м + бутовая полоса шириной 4м; двумя рядами бутокостров (рис. 3).
Анализ графиков, приведенных на рис. 3, показал, что наибольшее пучения почвы наблюдается при охране выемочного штрека двумя рядами бутокостров. Пучение почвы штрека при данном способе охраны в два раза превышает остальные варианты охраны. Примерно равноценны варианты охраны штрека целиками угля шириной 8,6 м и целиками угля шириной 4 м + 4 м бутовой полосы. С точки зрения потери угля в целиках этот способ является наиболее предпочтительным.
Выявленный теоретически и подтвержденный экспериментально процесс пучения почвы штреков позволит разработать комплексные решения по повышению устойчивости и эксплуатационной надежности выемочных штреков.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Ткачев, В.А., Туркеничева О.А. — Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета (НПИ).
