CC BY
51
© О.О. Сдвижкова, Р.М. Терещук, С.П. Лозовский, 2010
УДК 622.261.2
О. О. Сдвижкова, Р.М. Терещук, С.П. Лозовский
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ НОВОГО КОМПЛЕКСНОГО СПОСОБА ОХРАНЫ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ОЧИСТНЫХ РАБОТ В УСЛОВИЯХ ПУЧАЩИХ ПОРОД ПОЧВЫ
Изучены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния массива и обоснованы рациональные параметры способа охраны и поддержания подготовительных выработок в зоне влияния лавы.
Ключевые слова: пучение пород почвы, устойчивость подготовительных выработок, моделирование выработки.
Семинар № 13
А нализ состояния подготовительных выработок угольных шахт Украины, а также затрат, связанных с их поддержанием и ремонтом, показывает, что большую трудность при поддержании подготовительных выработок в эксплуатационном состоянии представляет борьба с пучением пород почвы. На угольных шахтах Украины ежегодно подвержены ремонту более 5 тыс. км выработок, в том числе с подрывкой вспученных пород почвы до 3,7 тыс. км.
Проблема поддержания подготовительных выработок в устойчивом состоянии во время всего периода их эксплуатации не только остается актуальной, но и приобретает возрастающий характер и требует создания, промышленного освоения и внедрения эффективных способов охраны и поддержания и разработки новых конструкций крепи подготовительных выработок. Особую актуальность эти задачи приобретают в горно-геологи-ческих условиях, для ко-
торых характерно вспучивание пород почвы.
Примером таких условий является шахта «Комсомолец Донбасса», которая находится на территории Шахтерского района Донецкой области Украины.
В почве разрабатываемых пластов 17, 14 и 13 залегают глинистые сланцы, склонные к пучению. Причем, в наибольшей степени пучение проявляется в подготовительных выработках в зоне влияния очистных работ.
Анализ показывает, что основная причина ремонтных работ (отремонтировано в 2003 г. 18201 п.м) кроется в наличии пучения пород почвы выработок (27 %, 4740 п.м), несоответствии несущей способности крепи действующей нагрузке и недостаточно эффективных способов охраны и поддержания (73 %).
Следует отметить, что пучение в подготовительных выработках в зоне влияния лавы существенно отличается от аналогичного проявления горного давления в капитальных выработках. Этот процесс имеет большую интенсивность,
которая не имеет затухающего характера. Напротив, наблюдаются резкие повышения интенсивности с определенной периодичностью, которая приводит к быстро развивающимся деформациям приконтурного массива и разрушению крепи. Поиск эффективных путей борьбы с пучением в зоне влияния очистных работ является важной практической задачей.
На основе изучения проявлений горного давления в натурных условиях предложен следующий способ охраны подготовительных выработок отличающийся тем, что при проведении выработки формируют раскоску, арочную крепь усиливают установкой двух анкеров, а перед отработкой лавы формируют податливое ограждение со стороны массива и со стороны лавы путем взрывания камуфлетных зарядов вне зоны опорного горного давления. После отработки лавы раскоску заполняют пучащими породами почвы выработки, далее отрабатывают очередную лаву.
Целью работы является изучение закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) массива при осуществлении предложенных мероприятий и обоснование рациональных параметров способа охраны и поддержания подготовительных выработок в зоне влияния лавы.
Постановка задачи. Методом конечных элементов моделировалась выработка шириной 5 м, высотой 3,5 м в слоистом массиве горных пород. Мощность угольного пласта - 1,1 м, выработка расположенная на глубине 600 м
Были рассмотрены семь расчетных схем, которые соответствуют характерным горно-техническим ситуациям.
Ситуация 1. Подготовительная выработка в массиве, закрепленная арочной податливой крепью.
Ситуация 2. Подготовительная выработка, сопрягающаяся с лавой.
Ситуация 3. Подготовительная выработка, закрепленная арочной податливой крепью с усилением по центру (стандартный способ охраны, применяемый на шахте «Комсомолец Донбасса»). Усиление моделировалось, как сосредоточенная сила Р, приложенная к узлам элементов в центральной части кровли и почвы.
Ситуация 4. Подготовительная выработка, закрепленная арочной податливой крепью, сопрягающаяся с лавой. Вследствие камуфлетного взрывания часть угольного пласта разрыхлена. В расчетной схеме зона разрыхления моделировалась как область, в которой модуль упругости Екам уменьшен по отношению к Еуг пласта (по данным работы [1] взрывание 380 г угленита Э-6 обеспечивает уменьшение модуля упругости угольного пласта в 40 раз).
Ситуация 5. Аналогична ситуации 4, но дополнительно в боку подготовительной выработки со стороны массива сформирована раскоска шириной 2...2,5 м. Раскоска моделировалась как дополнительная полость в угольном пласте.
Ситуация 6. Аналогична ситуации 5, но дополнительно со стороны лавы под углом 30° на высоте 2,0 м от почвы выработки установлен сталеполимерный анкер длиной 2,5 м, жестко связанный с аркой. Анкер моделировался путем закрепления перемещений в соответствующих точках рассматриваемой области.
Ситуация 7. Аналогична ситуации 6, но со стороны целика под углом 45° на высоте 2,5 м от почвы выработки установлен еще один анкер длиной 2,5 м, жестко связанный с аркой.
Решение выполнялось на основе нелинейной деформационной модели сре-
ды с использованием процедуры «переменных параметров упругости», позволяющей итерационным путем отразить связь между напряжениями и деформациями согласно реальной диаграмме сжатия образца горной породы.
Изменение НДС массива оценивались по величине так называемых эквивалентных напряжений, которые определяются в соответствии с феноменологическим критерием прочности, предложенным Л.Я. Парчевским и А.Н. Ша-шенко [2]:
-(1 - у)(а1 + СТ3) +
у = р
+\ ((1 - ^)2 (ст1 + СТ3 )2 + 4 ^ (ст1 - СТ3 )2 )
2у
где ст. ст3 — соответственно наибольшее
наименьшее главные напряжения,
/ ҐГ,
(Кр - предел прочности пород
на одноосное растяжение, Rс - предел прочности на одноосное сжатие).
Наличие очистной выработки приводит к значительному увеличению напряжений на контуре подготовительной выработки (в почве на 90 %, в кровле на 61 %).
При выполнении камуфлетного взрывания величина сте/Кс в характерных точках в почве подготовительной выработки снижается на 37 % (рис. 1). Напряжения в кровле подготовительной выработки практически равны (ситуации 2, 3, 5, 6, 7), только при камуфлет-ном взрывании несколько увеличиваются (ситуация 4). При наличии раскоски максимальные напряжения в почве подготовительной
выработки смещаются в сторону массива. Максимальное поднятие пород почвы подготовительной выработки нахо-
Рис. 1. Изменения величин смещения контура подготовительной выработки в зависимости от рассматриваемой ситуации: 1
- вертикальная конвергенция, 2 - горизонтальная конвергенция, 3 - смещения кровли, 4
- смещения почвы
дится: для выработки в нетронутом массиве - по центру, при наличии лавы -незначительно (на 0,15___0,2 м) смеща-
ется в сторону неотработанной части угольного пласта, при наличии лавы и раскоски - смещается в сторону неотработанной части угольного пласта на
0,5.. .0,6 м. Изменения смещений в подготовительной выработке в зависимости от рассматриваемой ситуации представлены на рис. 1.
Выполнение всех предложенных мероприятий по охране и поддержанию подготовительной выработки приводит к уменьшению величин смещений кровли на 30 % и почвы на 33 % (рис. 1).
Наличие анкера над раскоской уменьшает величину конвергенции в раскоске более чем в два раза.
Выполнение камуфлетного взрывания в боках подготовительной выработки приводит к уменьшению величины горизонтальной конвергенции на 13 %, к уменьшению величины вертикальной конвергенции на 11 %, к уменьшению величины поднятия почвы подготовительной выработки на 31 %, но к увеличению смещений в кровле.
Для определения рациональной ве-
и, см
сте =
и
Рис. 2. Изменение величины вертикальной конвергенции в подготовительной выработке в зависимости от ширины раскоски
личины раскоски было исследовано 10 моделей, в которых ширина раскоски 1р изменялась в пределах 0,5...5,0 м для условий, описанных в ситуации 7. Критерий оценки — влияние размеров раскоски на величину вертикальной конвергенции в подготовительной выработке и объем подрываемых пород почвы (рис. 2).
Установлено, что наиболее рациональный размер раскоски составляет
2.2,5 м, поскольку при увеличении размеров раскоски более 2,5 м величина вертикальной конвергенции в подготовительной выработке изменяется незначительно и этот размер достаточен для размещения в ней пород от проведения подрывки.
Для определения места и угла установки анкеров было исследовано более 11 моделей. Критерий оценки работоспособности анкеров — величина изменения вертикальной конвергенции в подготовительной выработке. Варьировался угол наклона анкера к горизонту ^), высота установки (И) и количество анкеров.
Промоделированы следующие варианты: 1 — один анкер со стороны лавы ^60°, И = 2,5 м); 2 — один анкер со стороны лавы ^45°, И = 2,5 м); 3 —
один анкер со стороны лавы ^30°, h =
2,5 м); 4 — один анкер со стороны лавы ^45°, h = 2,0 м); 5 — один анкер со стороны лавы ^30°, h = 2,0 м); 6 — два анкера: один со стороны лавы ^30°, h = 2,0 м), другой со стороны массива ^30°, h =
= 2,0 м); 7 — два анкера: один со стороны лавы ^30°, h = 2,0 м), другой со стороны массива (^45°, h =
= 2,0 м); 8 — два анкера: один со стороны лавы ^30°, h = 2,0 м), другой со стороны массива (^60°, h =
= 2,0 м); 9 — два анкера: один со стороны лавы ^30°, h = 2,0 м), другой со стороны массива (^60°, h =
= 2,5 м); 10 — два анкера: один со стороны лавы ^30°, h = 2,0 м), другой со стороны массива (^45°, h =
= 2,5 м); 11 — два анкера: один со стороны лавы ^30°, h = 2,0 м), другой со стороны массива ^30°, h =
= 2,5 м).
На рис. 3 представлено изменение величины вертикальной конвергенции в подготовительной выработке в зависимости от количества, места и угла установки анкеров.
Установка двух сталеполимерных анкеров жестко связанных с аркой со стороны лавы под углом 30° на высоте 2,0 м и со стороны целика под углом 45° на высоте 2,5 м от почвы выработки (ситуация 7, вариант 10), при всех прочих равных условиях, приводит к наименьшей вертикальной конвергенции в подготовительной выработке (рис. 3). Такое расположение анкеров является наиболее рациональным.
Результаты натурных измерений [3], физического (на эквивалентных материалах) [4, 5] и математического моделировании позволили построить обоб-
Рис. 3. Изменение величины вертикальной конвергенции в подготовительной выработке в зависимости от количества, места и угла установки анкеров
предложенного способа охраны и поддержания подготовительных выработок для различных горно-геологических условий.
Выводы
1. Выполнение предложенных в данной работе мероприятий по поддержанию подготовительной выработке приводит к уменьшению горизонтальной и вертикальной конвергенции на 26 % (17,3 см) и 30,5 % (27,3 см), соответственно, уменьшению конвергенции в раскоске на 62 %.
2. Устойчивость подготовительных выработок в рассматриваемых горногеологических условиях обеспечивается путем применения комбинированного геомеханического способа управления горным давлением и оценивается величиной вертикальной конвергенции, нелинейно зависящий от параметров способа: числа и угла установки анкеров, длины раскоски, расстояния между шпурами камуфлетных зарядов.
3. Для условий шахты «Комсомолец Донбасса» ситуация 7 является наилучшей комбинацией технических решений, обеспечивающих реализацию
щенный график изменения вертикальной конвергенции в подготовительной выработке (рис. 4), что дает
Ц см
Рис. 4. Изменение величины вертикальной конвергенции в подготовительной выработке в зависимости от рассматриваемой ситуации: 1 — результаты математического моделирования; 2 — результаты физического моделирования (на эквивалентных материалах); 3 — результаты шахтных наблюдений.
возможность оценить эффективность применяемых технических решений.
Результаты, полученные при натурных измерениях, физическом и математическом моделировании, практически совпадают (расхождения составляют 14,4 %) (рис. 4). Это подтверждает правильность выбора моделей и позволит, в дальнейшем, обосновывать параметры
предложенного способа охраны выработки при уменьшении величины горизонтальной и вертикальной конвергенции на 30 %.
Рекомендуемые мероприятия: проведение раскоски шириной 2...2,5 м, установка сталеполимерных анкеров со стороны лавы под углом 30° на высоте 2,0
1. Рязанцев А.П. Влияние степени разрыхления пород демпферной зоны на параметры способа борьбы с пучением пород почвы // Наукові праці КДПУ. - Кременчук: КДПУ. -2004. - Вип. 1/2004 (24). - С. 72-75.
2. Шашенко А.Н., Пустовойтенко В.П. Механика горных пород. - Киев: Наукова думка, 2003. -299 с.
3. Лозовський С.П. Шахтні дослі-дження нового способу охорони та підтримання підготовчих виробок // Вісник ЖІТІ. - техн. наук. - 2004. - №2 (28). - С. 240-244.
м и со стороны целика под углом 45° на высоте 2,5 м от почвы выработки, выполнение камуфлетного взрывания (глубина шпуров 2,2...2,5 м, масса заряда 400 г, расстояние между шпурами 2,0 м).
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Лозовский С.П. Изучение характера поведения горного массива вокруг подготовительных выработок в зоне влияния лавы на моделях // Науковий вісник НГУ. - 2004. - №
1. - С. 42-44.
5. Лозовский С.П., Терещук Р.Н. Разработка рациональных способов охраны и поддержания подготовительных выработок в зоне влияния лавы // Науковий вісник НГУ. - 2004. - № 2. - С. 44-46. ЕШ
— Коротко об авторах
Сдвижкова О. О. - доктор технических наук, профессор,
Терещук Р.М. , Лозовский С.П. -
Национальный горный университет, Днепропетровск, rector@nmu.org.ua
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И.М.ГУБКИНА И ГАЗА имени
ДРАНИШНИКО- ВА Дарья Николаевна Повышение эффективности управления денежными потоками субъектов естественных монополий 08.00.10 к.э.н.
