CC BY
19
--© Г.И. Соловьев, Н.Н Малышева,
В.Е. Нефедов, В. Л. Самойлов, Ю.Н Панфилов, 2008
УДК 622.273:622.83:624.131
Г.И. Соловьев, Н.Н. Малышева, В.Е. Нефедов, В.Л. Самойлов, Ю.Н. Панфилов
О МЕТОДИКЕ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ОСНОВНОЙ И УСИЛИВАЮЩЕЙ КРЕПЕЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ ПОДДЕРЖАНИЯ ВЫРАБОТОК ГЛУБОКИХ ШАХТ
Семинар № 15
Устойчивость выемочных выработок значительно снижается с увеличением глубины разработки, что весьма негативно влияет на эффективность работы очистных забоев с высокопроизводительными механизированными комплексами.
Однако, при разработке новых технологических решений по сохранению устойчивости выработок параметры способов охраны, а также основной и усиливающей крепей выработок выбираются обычно без детального без учета их рационального сочетания, что зачастую приводит к значи-телДляй тавеибоФниниметпИшигкиы бора
рационального сочетания параметров крепи, крепи усиления и способов охраны выемочных штреков необходимо решить следующие задачи:
• установить особенности механизма деформирования вмещающих пород при отсутствии продольно-балочной крепи усиления;
• выявить степень влияния основных факторов (см. табл. 1) на деформирование вмещающих пород;
• определить смещения контура выработки, возникающие при изменении основных влияющих факторов.
Для решения поставленных задач, было выполнено математическое моделирование проявлений горного давления с помощью программного комплекса Ашу8 для условий конвейерного штрека 2-й западной лавы пласта И10 шахты им. Калинина, который проводился впереди очистного забоя в массиве угля с опережением лавы не менее 8 м и поддерживался в выработанном пространстве участками по 250-300 м между наклонными промежуточными квершлагами, группирующими его на полевой штрек, проводимый в почве пласта на расстоянии 15 м от него по нормали.
Моделирование производилось в два
этапа. На первом этапе (отработано 2 модели) устанавливалась степень соответствия механизма проявления горного давления в натурных условиях и в модели. Для этого моделировался участок массива со следующим геологическим строением.
Пласт И10 мощностью 1,22 м и
пределом прочности на одноосное сжатие 9-10 МПа в пределах выемочного поля имел спокойное моноклинальное залегание с углом падения 1921°. Глубина ведения работ составляла 1230-1265 м.
Таблица 1
Характеристика вмещающих пород
№ Наименование породы Прочность на одноос-ное сжатие с™, МПа Объемный вес у, т/м3 Модуль упругости Е ■ 103 , МПа Коэффициент Пуассона Ц
1 2 3 4 5 6
1 Песчаник 101,3 2,62 2,636 0,167
2 Песчаник 90,2 2,69 2,354 0,183
3 Песчано-глинистый сланец 57,6 2,65 2,447 0,253
4 Глинистый сланец 64,1 2,66 2,896 0,134
5 Глинистый сланец 64,5 2,66 2,911 0,133
6 Глинистый сланец 54 2,66 2,512 0,163
7 Глинистый сланец 15 2,66 1,03 0,277
8 Уголь 9,5 1,36 1,72 0,235
9 Песчано-глинистый сланец 69,5 2,63 2,78 0,235
10 Песчаник 12,5 2,56 3,12 0,141
Непосредственно над пластом залегала ложная кровля, которая была представлена тонко слоистым глинистым сланцем мощностью 0,5 м и пределом прочности на одноосное сжатие 15 МПа (категория Б2-Б1 по классификации До-нУГИ).
Непосредственная кровля пласта была представлена однородным слабо слюдистым слоистым глинистым сланцем мощностью 0,5-2,0 м и пределом прочности на одноосное сжатие 54 МПа (категория Б4-Б3 по классификации До-нУГИ). Выше залегает однородный слоистый с мелкими сидеритовыми конкрециями глинистый сланец мощностью 3,5-5,0 м и пределом прочности на одноосное сжатие 64,5 МПа (категория Б4 по классификации ДонУГИ).
В основной кровле пласта залегал однородный слоистый с мелкими си-деритовыми конкрециями глинистый сланец мощностью 5,15 м и пределом прочности на одноосное сжатие 64,5 МПа (категория А2 по классификации ДонУГИ). Выше - мелкозернистый слюдистый горизонтально слоистый
песчано-глинистый сланец мощностью 3,50 м и пределом прочности на одноосное сжатие 57,6 МПа (категория А2 по классификации ДонУГИ). Еще выше - мелко слоистый мелкозернистый по-левошпатово-кварцевый слюдистый песчаник мощностью 5,76 м и пределом прочности на одноосное сжатие 90,2 МПа (категория А2 по классификации ДонУГИ).
Непосредственная почва пласта была представлена тонко слоистым слюдистым песчано-глинистым сланцем в кровле слоя комковатого строения мощностью 1,0 м и пределом прочности на одноосное сжатие 69,5 МПа (категория П2 по классификации ДонУГИ).
В основной почве пласта залегал слюдистый мелкозернистый горизонтально слоистый песчаник мощностью 12,0 м и пределом прочности на одноосное сжатие 125 МПа (категория П3 по классификации ДонУГИ).
Размеры моделируемого участка массива составляли: длина - 60 м, высота - 38 м и ширина - 0,5 м, что соответствовало шагу крепи.
Рис. 1. Конструкция продольно-балочной крепи усиления: 1 - балка из СВП балочная крепь из двутавра имеет такую же конструкцию
продольно
Задача решалась в упругой постановке, поскольку программный комплекс АКБУБ производил линейно-упругий анализ напряженно-дефор-мированного состояния. Недостаю-щие для расчета прочностные и упругие свойства вмещающих пород были определены в соответствии с результатами, приведенными в работах [3, 4, 5]. Результаты расчета приведены в табл. 1.
В первой модели внутри массива воспроизводились все технологические параметры проведения, крепления и охраны 2-го западного конвейерного штрека.
К этим параметрам относятся проведение выработки завышенным сечением 23,67 м2 и установка трехзвенной крепи из СВП-27 с шагом 0,5 м (рис. 1, а). Ее моделирование производилось при помощи балочного элемента с поперечным сечением СВП-27, согнутым в арку с
поперечным сечением Бпр = 23,67 м2
(рис. 2). Вслед за проходом лавы возводилась чураковая стенка шириной 1,3 м вплотную к крепи (рис. 1, а), моделирование которой, согласно рекомендациям [2], осуществлялось установленным вплотную к основной крепи жестким элементом шириной Ь = 1,3 м (рис. 2).
Во второй модели помимо крепи и опорной конструкции для сохранения устойчивости выработки применялась продольно-балочная крепь усиления из СВП-27, расположенная в поперечном сечении выработки в своде и перпендикулярно напластованию пород
(рис. 1, б).
Для определения прочностных характеристик основной крепи, крепи усиления и опорных конструкций были с использованы рекомендации, приведенные в работах [6-9].
Граничными условиями для двух моделей первого этапа являлось закрепле-
Таблица 2
Упругие свойства крепи и опорных конструкций для 2 этапа моделирования
Наименование крепи и Объемный вес Модуль упругости Коэффициент
№ опорных конструкций у, т/м3 Е ■ 105, МПа Пуассона Ц
1 2 3 4 5
1 Бутовая полоса 1,833 0,00048 0,3
2 Деревянный костер 0,18 0,0522 0,3
3 Накатной костер 0,5 0,145 0,3
4 БЖБТ 2,163 0,298 0,3
5 Литая полоса 2,4 0,32 0,3
6 Основная крепь 7,85 2 0,3
7 Продольно-балочная 7,85 2 0,3
крепь
ние всех граней массива от перемещений (рис. 2), кроме верхней, к которой прикладывалась распределенная нагрузка, имитирующая первоначальное напряженное состояние горного массива. Величина нагрузки при средневзвешенной плотности
пород 2,55 т/м3 и фактической средней глубине очистных работ 1260 м и со-
ставляла 31,62 МПа.
Упругие свойства материалов крепей и опорных конструкций были рассчитаны с использованием [6-9] (табл. 2)
На втором этапе было отработано 48 моделей для тех же условий, что и на первом этапе.
Моделирование производилось тремя сериями по 16 моделей, посредством
ГН
Рис. 2. Расчетная схема математического моделирования:
1 - рама основной крепи; 2 - жесткий элемент; 3 - выработанное пространство; 4 - угольный пласт; 5 - балка из СВП-27
Таблица 3
Горно-геологические и технологические параметры для математическом моделировании
№ Параметры Значения
1 2 3 4
1 2 3 4 5 6
I Горно-геологические
1 Глубина разработки, Н, м* 1260 1334 1150 1224
II Технологические для основной крепи
2 Плотность установки крепи, а^^, , рама/м 1,5 2,0 2,5 3,0
3 Площадь сечения выработки в проходке, Ьпр, м2** 23,67 13,92 15,56 18,42
III Технологические для опорной конструкции
4 Ширина бутовой полосы, В, м 8 12 16 20
5 Способ охраны, выступающий в качестве жесткого элемента Деревянный костер Накатной костер БЖБТ Литая полоса
6 Ширина жесткого элемента сооружения, Ь, м 1 2 3 5
7 Расстояние от выработки до начала жесткого элемента, 1, м 0 3 5 8
IV Технологические для продольно-балочной крепи усиления
8 Номер профиля Мпроф , *** 17(18) 22 27 33
9 Тип конструкции продольно-балочной крепи усиления Рис. 3, а Рис. 3, б Рис. 3, в Рис. 3, г
Примечание: * - глубина разработки для действующего и для последующего выемочного столба для 2-ой западной и 2-восточной лавы; ** - первое сечение - используемое в конвейерной выработке 2-ой западной лавы, рассчитанное с учетом неровного контура почвы, последующие - для АП-3/11,2, АП-3/12,7, АП-3/15,4 соответственно; *** - номер профиля в скобках - для двутавра, если стоит одна цифра, то она относится и к СВП и к двутавру
варьирования представленных в табл. 3 параметров.
Первая серия моделей отрабатывались без применения крепи усиления. Вторая - с применением продольно-балочной крепи из прямолинейного спецпрофиля СВП-27. В третьей серии моделировалась крепь усиления из двутавра.
Анализ результатов математического моделирования проявлений горного давления в выемочном штреке производился в несколько этапов.
На первом этапе все результаты моделирования были разделены на три группы. В первую группу входили результаты моделирования для выработки без крепи усиления, во вторую группу -
с продольно-балочной крепью из СВП, а в третью - из двутавра.
На втором этапе производился поиск стандартных видов зависимостей, применяемых при статистической обработке результатов экспериментов. Были рассмотрены следующие стандартные виды зависимостей:
линейная, экспоненциальная, степенная, логарифмическая, квадратичная [10], параболическая, гиперболическая, показательная [11].На третьем этапе из стандартных видов зависимостей осуществлялся выбор тех, которые в наибольшей степени соответствовали поставленной задаче.
На четвертом этапе с помощью средств программного пакета бр88у13.0 для вы-
бранных видов зависимостей (линейной, квадратичной, параболической) по каждой из трех групп результатов математического моделирования определялись коэффициенты уравнения регрессии. На основе полученных этих коэффициентов были составлены уравнения регрессии, по каждому из которых затем производился расчет конвергенции пород (табл.
4).
На пятом этапе для выбранных видов зависимостей (линейной, квадратичной, параболической) определялись
коэффициенты детерминации ^ ,
критерий Фишера Р и относительная ошибка аппроксимации еотн.
Коэффициент детерминации ^ рассчитывался по формуле [11]
г( у - у )2-г( у - ух )2 г(у- у)2
гд)е у - фактическое значение результативного признака (фактическое значение конвергенции пород); у -
значение общего среднего результативного признака (среднее значение
фактической конвергенции пород); ух -расчетное значение результативного признака (расчетное значение конвергенции пород).
Коэффициент детерминации определяет, какая часть вариации признака у учитывается в модели и обусловлена влиянием на нее независимых факторов. Таким образом, чем выше коэффициент детерминации, тем выше та часть вариации признака у , которая учитывается в модели и обусловлена влиянием на нее независимых факторов.
рух, =
Для коэффициента детерминации статистическая достоверность определялась по формуле [11]
^ > з
ст0
(10)
где ст„ - среднеквадратическая ошибка рассчитываемая по формуле [11]
1
л/п -1
(11)
где п - количество опытов.
Если неравенство (10) верно, то коэффициент детерминации достоверен.
Критерий Фишера Ррасч определялся по формуле [11]
Р„.
1 - Р2.
п - т т
(12)
где т - количество коэффициентов в уравнении регрессии.
Расчетный критерий Фишера сравнивался с табличным Ррасч > Ртабл ,
который определялся в таблице по пересечению столбца с номером т и строки с номером т - п [12]. В результате сравнения определялась значимость (достоверность) уравнения регрессии. Если неравенство верно, то
уравнение достоверно.
Относительная ошибка аппроксимации еотн рассчитывалась по формуле [11]
'у - ух
: п
(13)
Относительная ошибка аппроксимации сравнивалась с допустимой относительной ошибкой аппроксимации еотн < 0,15 . В результате сравнения определялась статистическая точность уравнения. Если неравенство верно, то уравнение статистически точно.
2
Таблица 4
Уравнения регрессии, составленные по программного пакету 8Р88г13.0
Вид зависимости Математическое отображение вида зависимости
При отсутствии продольно-балочной крепи усиления*
Линейный у = 0,8868 - 0,0608 • В + 0,0247 • эрозоЬ + 0,1266 • Бпр - 0,0862 • 1 --0,198 • Ь - 0,0329 • аосн.кр + 0,0021 • Н
Квадратичный у = 1,803 - 0,0024 • В2 + 0,006 • эроэоЬ2 + 0,0267 • - 0,012 • I2 --0,0312• Ь2 -0,0066 • аОсн.кр + 7,66 • 10-7 • Н
Параболический у = 17,3637 + 0,0049 • В2 - 0,1857 • В + 0,0649 • БроэоЬ2 - -0,2552 • БроэоЬ + +0,0371 • вПр -0,0472• Бпр -0,0184• I2 + 0,0419 • 1+ +0,0231 • Ь2 -0,3443• Ь + +0,0521 • а20сн.Кр - 0,2543 • а^ + +9,88 • 10-6 • Н2 - 0,0225 • Н
При использовании продольно-балочной крепи усиления из СВП**
Линейный у = 0,9458 + 0,0593 • Ыпроф - 0,0615 • В + 0,0204 • зрозоЬ+ 0,1185 • впр -0,0867 • I - 0,1966 • Ь - 0,0439 • а2снкр + 0,002 • Н - -0,0143 • 1уре
Квадратичный у = 1,8495 + 0,0134 • ЫПроф -0,0024 • В2 + 0,0054 • эроэоЬ2 + 0,0263 • вПр -- 0,0123 • I2 - 0,0304 • Ь2 - 0,0086 • а2сн.кр + 7,60 • 107 • Н2 - 0,0102 • 1уре2
Параболический у = 12,9147 + 0,0371 • NПроф - 0,0996 • Ыпроф + 0,0049 • В2- 0,1855 • В + + 0,0542 • БроэоЬ2 - 0,2166 • БроэоЬ + 0,0605 • вПр - 0,1634 • впр - 0,0186 • I2 + + 0,0407 • I + 0,0319 • Ь2 -0,3978 • Ь+ 0,0424 • а0снкр -0,227• аосннкр + +6,87 • 10-6 • Н2 - 0,0149 • Н + 0,0143 • 1уре2 - 0,0606 • 1уре
При использовании продольно-балочной крепи усиления из двутавра***
Линейный у = 0,9581 + 0,0594 • Ыпроф - 0,0617 • В + 0,0201 • вро8оЬ+ 0,1181 • Бпр --0,0871 • I - 0,1973 • Ь - 0,0421 • а2сн.кр + 0,002 • Н- 0,0153 • type
Квадратичный у = 1,8584 + 0,0135 • NПр0ф - 0,0024 • В2 + 0,0053 • эроязЬ2 + 0,0262 • - 0,0123 • I2 --0,0305 • Ь2 -0,0083 • а2снкр + 7,58 • 107 • Н2 -0,0104 • type2
параболический у = 13,0691 + 0,0372 • №проф - 0,1 • ^р0ф + 0,0049 • В2- 0,1858 • В + +0,0541 • эроэоЬ2 -0,2167• эроэоЬ + 0,0606 • Э2р- -0,1643 • Эпр -0,0186• I2 + +0,0406 • I + 0,0322 • Ь2 - 0,4004 • Ь + +0,0414 • а0сн кр - 0,2206 • а0сн кр + 6,95 • 10-6 • Н2 - -0,0151 • Н+ 0,0169 • type2 - 0,0745 • type
Примечание: *, **, *** - применяемый способ охраны, принимает значения 1, 2, 3,
4, которые соответствуют деревянному костру, накатному костру, БЖБТ, литой полосе; Ыпроф принимает значения 1, 2, 3, 4, которые соответствуют 17, 22, 27, 33 для СВП и 18, 22, 27, 33 для двутавра; Бпр принимает значения 1, 2, 3, 4, которые соответствуют 23,67 м2, 13,92 м2, 15,56 м2, 18,42 м2; аосн.кр принимает значения 1, 2, 3, 4, которые соответствуют 1,5 рама/м, 2 рама/м, 2,5 рама/м, 3 рама/м; ^ре - тип конструкции продольно-балочной крепи усиления, принимает значения 1, 2, 3, 4, которые соответствуют одной балке в своде выработки, одной балке, расположенной перпендикулярно напластованию, двум балкам, одна из которых -перпендикулярно напластованию, другая - симметрично ей, двум балкам, одна из которых - в своде, другая - перпендикулярно напластованию.
Таблица 5
Значения критериев тесноты по видам зависимости
Критерии выбора
Вид зависимости Ryxi «yx. Fpac4 m m - n ^табл 8отн
1 2 3 4 5 6 7 8
При отсутствии продольно-балочной крепи усиления
линейный 0,848 5,90 23,63 8 34 2,23 0,083
квадратичный 0,794 5,71 16,38 8 34 2,23 0,096
параболический 0,898 6,07 15,79 15 27 2,05 0,066
При использовании продольно-балочной крепи усиления из СВП
линейный 0,865 6,37 24,26 10 38 2,09 0,074
квадратичный 0,804 6,15 15,59 10 38 2,09 0,085
параболический 0,933 6,62 21,13 19 29 1,96 0,05
При использовании продольно-балочной крепи усиления из двутавра
линейный 0,865 6,37 24,25 10 38 2,09 0,074
квадратичный 0,804 6,15 15,58 10 38 2,09 0,085
параболический 0,933 6,62 21,10 19 29 1,96 0,05
Рассчитанные коэффициенты детерминации ^ , критерии Фишера Р, относительные ошибки аппроксимации еотн приведены в табл. 5.
На шестом этапе производился окончательный выбор вида зависимости. Критериями выбора служили наибольшие коэффициент детерминации ^ и
критерий Фишера Р и наименьшая ошибка аппроксимации еотн.
Выбранный параболический вид зависимости для всех трех групп имеет наилучшие показатели: коэффициент детер-
минации ^ = 0,898 - 0,933 , Критерий Фишера Р = 15,79 - 21,13 , ошибка аппроксимации
8ОТн = 0,05 - 0,066
Полученные для всех трех групп зависимости позволяют создать пакет программ, для определения рационального сочетание параметров способов охраны, основной и усиливающей крепей для выемочных выработок глубоких шахт, поддерживаемых в зоне влияния очистных работ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Захаров В.С. Обоснование способа сохранения устойчивости выемочных выработок применением каркасной крепи усиления. Дисс... канд. техн. наук: 05.15.02. - Донецк: Донецкий госуд. техн. ун-т (ДонГТУ), - 1999. -215 с.
2. Стулишенко А.Ю. Прогнозирование сближений пород контура проводи-мых вслед за лавой подготовительных выработок на поло-
гих пластах. Дисс... канд. техн. наук: 05.15.02. -Донецк: Донецкий национ. техн. ун-т (Дон-НТУ), - 2002. - 170 с.
3. Черняк И.Л., Григорьев Р.И., Фрумкин Р.А., Дорыкин В.А., Нгуен Зань Фьен. Исследование физико-механических свойств горных пород глубоких шахт Донбасса // Технология добычи угля подземным способом. - 1967. - №7. - с. 35-39.
4. Ы1р://ге£ега1. . сошЛоаё.рИр. а=2 3&Ь=240-2386^р.
5. Протодьяконов М.М., Тедер Р.И., Ильницкая Е.И. и др. Распределение и корреляция показателей физических свойств горных пород. М.: Недра. - 1981. - с. 185-187.
6. Дорохов Д.В., Сивохин В.И. и др. Технология подземной разработки пластовых месторождений полезных ископаемых. Донецк: ДонГТУ. - 1997. - с. 176.
7. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию выработок на угольных шахтах СССР. - Ленинград: ВНИМИ. - 1986. - с. 114.
8. Горчаков Г. И., Баженов Ю.М. Строительные материалы. - М.: Стройиздат. -1986. - с.18.
9. Ищук И.Г., Оболенский Б.Н. О влиянии упругих свойств основания копра
на точность определения коэффициента крепости горных пород методом толчения // Физико-механические свойства горных пород: Научные сообщения. - М.: ИГД им. А.А. Скочинского. - 1973. - вып. 108.- С. 19.
10. Черняк И.Л. (МГИ). Прогноз устойчивости почвы с использованием методов многофакторного регрессионного анализа // Технология добычи угля подземным способом.
- 1968. - №3. - с. 53-56.
11. Практикум по теории статистики. Учебное пособие / Сидорова А.В., Леонова Н.В., Масич Л. А., и др. - Донецк: ДонНУ, 2003.
- С. 220-236.
12. Математическая статистика: Иванова В.М., Калинина В.Н., Нешумова Л.А., и др.
- 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. Школа, 1981.-С. 364-365. М
— Коротко об авторах -
Соловьев Г.И. - доцент, кандидат технических наук, Малышева Н.Н. - ассистент, Нефедов В.Е. - ассистент,
Самойлов В.Л. - доцент, кандидат технических наук, ДонНТУ,
Панфилов Ю.Н. - директор шахты им. М.И.Калинина государственного предприятия «Донецкая угольная энергетическая компания».
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 15 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент чл.-корр. РАН Л.А. Пучков.
А
- РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ
МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
1. Миночкин Д.В. Компьютерные технологии в процессе экономической эффективности горнопромышленных процессов (623/05-08 — 19.02.08) 14 с.
2. Мельник И.А. Поиск нефтенасыщенных пластов на основе оригинальной интерпретации стандартных методов ГИС (624/05-08 — 20.02.08) 6 с.
