CC BY
0асс. Малышева Н. Н.
(ДонНТУ, г. Донецк, ДНР, rpm@mine.donntu.org)
ВЛИЯНИЕ ВРЕМЕНИ ВСТУПЛЕНИЯ В РАБОТУ ОХРАННОГО СООРУЖЕНИЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПОДДЕРЖАНИЯ ВЫРАБОТКИ В УСЛОВИЯХ ШАХТЫ «ЩЕГЛОВСКАЯ-ГЛУБОКАЯ»
Работа посвящена исследованию влияния времени вступления в работу охранного сооружения (наличия/отсутствия зазора между кровлей и охранным сооружением), а также его несущей способности на эффективность поддержания выработки. Предложено охранное сооружение, вступающее в работу в течение суток. Обоснованы его рациональные параметры.
Ключевые слова: охранное сооружение, тумба с распором, Ansys, площадь под кривой, доля объясненной дисперсии, модуль деформации.
Науки о земле
УДК 622.831.312
Проблема и ее связь с научными и практическими задачами. Эксплуатационное состояние подготовительных выработок обуславливается в основном эффективностью работы околоштрекового охранного сооружения. Традиционно применяемые способы охраны выработок, проводимые за лавой, — бутовые полосы, костры, бутокостры, БЖБТ и др. Несмотря на различие в технологии сооружения и разную жёсткость охранных сооружений, все они вступают в работу не сразу после возведения, а после исчерпания зазоров и определённой усадки полосы, которое реализуется за счёт сближения кровли и почвы. При этом несущая способность полос возрастает со временем и достигает рабочего режима на значительном расстоянии от лавы. Отсутствие существенного сопротивления смещениям пород кровли в направлении извлечённого лавой пласта приводит к их прогибу, расслоению, вызывает рост зоны разрушения вглубь массива, что обуславливает асимметричное нагружение крепи выработки и значительную потерю её высоты. Это приводит к необходимости проведения дополнительных мероприятий, направленных на обеспечение эксплуатационного состояния выработок.
Таким образом, разработка новых и модернизация существующих способов охраны и поддержания горных выработок после прохода очистного забоя, позво-
ляющих минимизировать или ликвидировать указанные недостатки, является одной из актуальных задач.
Постановка задачи. В статье [1] было предложено охранное сооружение, вступающее в работу в течение суток (тумбы с распором [2, 3]). Была подтверждена эффективность использования его в качестве основного охранного сооружения. Направлением дальнейших исследований являлось установление эффективности использования тумб с распором в качестве дополнительного охранного сооружения и определение его рациональных параметров.
В связи с этим целью настоящей работы явилось определение рациональных параметров тумб с распором, которые используются в качестве дополнительного охранного сооружения.
Объект исследования — напряжённо-деформированное состояние массива пород при применении охранного сооружения, которое быстро включается в работу по поддержанию выработки.
Предмет исследования — рациональные параметры охранного сооружения (тумб с распором).
Задачи исследования:
- установление более полной картины сдвижений с учётом всех опор, которые находятся в плоскости пласта;
- исследование влияния времени вступления в работу охранного сооружения (на-
Науки о земле
личия/отсутствия зазора между кровлей и охранным сооружением) на эффективность поддержания выработки;
- исследование влияния несущей способности предлагаемого охранного сооружения на эффективность поддержания выработки;
- установление его рациональных параметров.
Изложение материала и его результаты. Для решения первой задачи было проведено численное моделирование механизма разрушения массива вокруг подготовительной выработки. В качестве программ-
ного продукта для решения инженерной задачи был выбран Ansys [4]. Моделировался аналогичный [1] участок массива с использованием горно-геологических условий шахты «Щегловская-Глубокая». Внутри этого участка воспроизводился паспорт поддержания 5-го западного конвейерного штрека пл. т3.
Паспорт участка разбит на блоки (рис. 1). Для каждого блока была определена несущая способность, модуль деформации и объёмный вес. Результаты расчётов сведены в таблицу 1.
Рисунок 1 Разделение паспорта поддержания 5-го западного конвейерного штрека пл. т3 на блоки
Таблица 1
Свойства горных пород и охранных сооружений для условий шахты «Щегловская-Глубокая»
Место Слой Порода т, м МПа oP, МПа Е, МПа И С, МПа Ф, 0 Ö, о Y, кг/м
почва 1 Песч. сл. 25,31 68 15 27,22e3 0,235 15,97 39,68 39,68 2,73e3
2 Песч. сл. 3,9 65 14,8 26,90e3 0,240 15,51 38,98 38,98 2,7e3
пласт 3 Уголь 1,52 15 1,5 0,42e3 0,08 9,9 38 28 1,32e3
кровля 4 Гл. сл. 13,28 60 10,4 27,85e3 0,140 12,50 45 45 2,73e3
5 Песч. сл. 19,35 65 14,8 26,90e3 0,240 15,51 38,98 38,98 2,7e3
блок 0 - 0,8 - 7,02 0,3 - - - 840,95
блок 1 (шахтный/ предлагаемый вариант) - 2,22/ 17,6 - 63,25/ 171,77 0,3 - - - 1996,9/ 649,15
блок 2 - 3,86 - 35,37 0,3 - - - 856,47
блок 3 - 0,99 - 14,95 0,3 - - - 721,11
блок 4 - 0,14 - 7,38 0,3 - - - 396,95
Порядок построения моделей, измеряемые параметры, а также критерий для выбора рациональных параметров были такими же, как и в [1].
Для того чтобы решить вторую и третью задачи, были построены графики зависимости площади под кривой доли объясненной дисперсии от модуля деформации тумб (рис. 2, а, б).
Анализ графиков показал, что при шаге первой посадки (Ш0 = 50 м) площадь под кривой доли объясненной дисперсии для шахтного варианта охранного сооружения больше, чем у предлагаемых вариантов вне зависимости от модуля их деформации (рис. 2, а). Для выяснения причины этого сравнивали механизм разрушения массива вокруг выработки при использовании в качестве дополнительного охранного сооружения бутовой полосы и тумб с распором с минимальным модулем деформации, а также влияние увеличения модуля на изменение механизма разрушения.
Анализ результатов решения второй и третьей задач позволил сделать следующие выводы:
1. Тумбы с распором включаются в работу раньше бутовой полосы, что приводит к их быстрому разрушению: давление на контактах «тумба с распором — непосредст-
венная кровля», «тумба с распором — непосредственная почва» увеличивается. Чем выше модуль деформации тумб, тем давление на контактах выше. В результате сжимающие напряжения в тумбе увеличиваются. Чем выше модуль деформации тумб, тем сжимающие напряжения выше. Это ведет к тому, что разрушение тумбы наступает раньше и после разрушения её работа по поддержанию выработки уменьшается.
2. Использование тумб с максимальным модулем деформации Едеф. тах = 233 МПа позволяет до момента их разрушения:
- уменьшить консоль (сжимающие напряжения в непосредственной кровле переносятся в горизонтальном направлении от выработанного пространства к выработке, в вертикальном — от кровли к почве;
- сформировать магистральную трещину.
При использовании тумб с распором
разрушение происходит не от растяжения (процент расслоившихся элементов на контакте «основная кровля — непосредственная кровля» уменьшается. В результате площадь под кривой разрушения от растяжения для непосредственной кровли со стороны выработанного пространства уменьшается), а от сжатия (сжимающие напряжения в непосредственной кровле увеличиваются).
s под R2_adj
1,00Е+07
8,00Е+06 6,00Е+06 4,00Е+06 2,00Е+06 0,ООЕ+С1О
60
160
Едеф, МПа
S под R2_adj
1.40Е+07 1,20Е+07 1,00Е+07 8,00Е+06 6,00Е+06 4,00Е+06 2,00Е+06 0,00 Е+00
60
110 160 210ЕАеФ'МПа
б
а
предлагаемые варианты, шахтный вариант, оптимальный вариант с учётом затрат
Рисунок 2 График зависимости площади под кривой доли объяснённой дисперсии S под от модуля деформации тумбы с распором Едеф, Па : а) Ш0 = 50 м , б) Шп = 15 м
Для того чтобы решить четвертую задачу, были рассчитаны суммарные затраты на материалы и оплату труда для предлагаемого и шахтного варианта, а также затраты для тумб с распором при варьировании их параметров. Оказалось, что только один вариант реализации тумб с распором дешевле реализации шахтного варианта охранного сооружения.
Поскольку затраты на реализацию предлагаемого способа в данных горногеологических условиях являются ограничивающим фактором, то использование тумб с максимальным модулем деформации является экономически нецелесообразным. Однако введение в экономическое сравнение затрат на ремонт выработки может изменить данное утверждение. Определение величины затрат на ремонт выработки при шахтном и предлагаемом вариантах охранного сооружения при шаге первой посадки (Ш0 = 50 м) требует дополнительных шахтных наблюдений за смещениями пород в выработку.
При шаге последующих посадок кровли (Шп = 15 м) для тумб при модуле их деформации Едеф. = 71-86 МПа площадь под кривой доли объясненной дисперсии больше, чем у шахтного варианта. Она возрастает, достигая своего максимума при Едеф. = 86 МПа. Дальнейшее увеличение модуля деформации тумб ведет к уменьшению площади под кривой, и она достигает своего минимума при Едеф. = 172 МПа, что соответствует параметрам охранного сооружения, реализованного на шахте «Рассвет-1» (рис. 2, б).
Для выяснения причины такого изменения площади под кривой сравнивали механизм разрушения массива вокруг выработки при использовании бутовой полосы и тумб с распором с модулем деформации Едеф. = 86 МПа, а также влияние изменения модуля от Едеф. = 86 МПа до Едеф. = 172 МПа на изменение механизма разрушения.
Анализ результатов решения четвертой задачи позволил сделать следующие выводы:
1. Так же, как и при шаге первой посадки Ш0 = 50 м, давление на контактах «тум-
ба с распором — непосредственная кровля» с ростом модуля деформации увеличивается. Чем выше модуль деформации тумб, тем давление на контакте больше. В результате этого сжимающие напряжения в тумбе также увеличиваются. Однако в отличие от шага первой посадки Ш0 = 50 м давление на контакте «тумба с распором — непосредственная почва» при применении тумбы с Едеф. = 86 МПа увеличивается до тех пор, пока не произойдет ее разрушение, а при увеличении модуля от Едеф. = 86 МПа до Едеф. = 172 МПа давление увеличивается вне зависимости от ее разрушения.
2. В отличие от шага первой посадки Ш0 = 50 м уменьшение консоли и формирование магистральной трещины происходит от сжатия, а не от растяжения при модуле деформации Едеф. > 86 МПа.
Сжимающие напряжения в непосредственной кровле при применении тумбы с Едеф. = 86 МПа меньше, чем при применении шахтного варианта охранного сооружения до тех пор, пока не произойдет ее разрушение. При увеличении модуля от Едеф. = 86 МПа до Едеф. = 172 МПа сжимающие напряжения в непосредственной кровле больше, чем при применении шахтного варианта вне зависимости от разрушения тумб.
Сжимающие напряжения в непосредственной кровле переносятся в горизонтальном направлении от выработанного пространства к выработке, в вертикальном — от кровли к почве.
3. При применении тумбы с Едеф. = 86 МПа сжимающие напряжения переносятся в горизонтальном направлении: в тумбах — от передней границы модели к месту их установки, в непосредственной кровле — от места выкладки стенки из газобетонных блоков к передней границе модели. В результате, несмотря на то, что разрушение тумб наступает раньше, эффективность работы по поддержанию выработки тумб и стенки из газобетонных блоков увеличивается, а пласта со стороны массива — уменьшается.
При увеличении модуля с Едеф. = 86 МПа до Едеф. = 172 МПа, несмотря на то, что разрушение тумб наступает позже, эффективность работы по поддержанию выработки тумб и стенки из газобетонных блоков уменьшается, а пласта со стороны массива — увеличивается.
Полученный положительный эффект от использования тумб с распором был следствием того, что тумбы всей своей поверхностью с первого подшага нагрузки включаются в работу по поддержанию выработки, в то время как бутовая полоса тратит на это 32 % от шага нагрузки при Ш0 = 50 м и 57 % от шага нагрузки при Шп = 15 м.
Затраты на реализацию предлагаемого способа в данных горно-геологических условиях являются ограничивающим фактором. Поэтому рациональными параметрами будут те, которые дают максимальную площадь под кривой доли объясненной дисперсии (рис. 2, б) и затраты на реализацию которых меньше, чем при шахтном варианте. К ним относятся: диаметр опалубки Dоn = 0,5715 м, высота опалубки Ноп = 1,41 м, шаг установки опалубок Lоп = 1,2 м, диаметр трубки dmр = 0,12 м, диаметр породы dпор = 5...10 мм, количество рядов опалубок порЯяд = 1.
Выводы и направление дальнейших исследований. Выполненные исследования позволили сделать следующие выводы:
1. При использовании тумб с распором в качестве дополнительного охранного сооружения при шаге первой посадки (Ш0 = 50 м) увеличение модуля деформации ведет к уменьшению площади под кривой доли объясненной дисперсии, при этом она для тумб с распором вне зависимости от модуля их деформации меньше, чем у традиционного охранного сооружения. Это происходит вследствие того, что тумбы с распором включаются в работу раньше традиционного охранного сооружения, что приводит к их быстрому разрушению.
Несмотря на это, использование тумб с максимальным модулем деформации
(Едеф. тах = 233 МПа) позволяет до момента их разрушения сформировать устье магистральной трещины не от растяжения в основной кровле на контакте её с непосредственной, а от сжатия в непосредственной кровле на контакте её с основным охранным сооружением со стороны выработанного пространства.
2. При использовании тумб с распором в качестве дополнительного охранного сооружения при шаге последующих посадок кровли (Шп = 15 м) при модуле их деформации Едеф. = 71-86 МПа площадь под кривой доли объясненной дисперсии больше, чем у шахтного варианта. Она возрастает, достигая своего максимума при Едеф. = 86 МПа. Дальнейшее увеличение модуля деформации тумб ведет к уменьшению площади под кривой, и она достигает своего минимума при Едеф. = 172 МПа.
3. Полученный положительный эффект от использования тумб с распором является следствием того, что тумбы всей своей поверхностью с первого подшага нагрузки включаются в работу по поддержанию выработки, в то время как бутовая полоса тратит на это 32 % от шага нагрузки при Ш0 = 50 м и 57 % от шага нагрузки при Шп = 15 м.
4. В условиях шахты «Щегловская-Глубокая» максимальную площадь под кривой доли объясненной дисперсии дают тумбы с модулем деформации Едеф. = 86 МПа. В данных горногеологических условиях затраты на реализацию предлагаемого способа являются ограничивающим фактором и рациональными параметрами тумб являются те, которые дают максимальную площадь под кривой доли объясненной дисперсии и затраты на реализацию которых меньше, чем при шахтном варианте: диаметр опалубки Dоп = 0,5715 м, высота опалубки Ноп = 1,41 м, шаг установки опалубок Lоп = 1,2 м, диаметр трубки dmр = 0,12 м, диаметр породы dпор = 5...10 мм, количество рядов опалубок прЯяд = 1.
Библиографический список
1. Малышева, Н. Н. Влияние времени вступления в работу охранного сооружения на эффективность поддержания выработки в условиях шахты «Рассвет-1» [Текст] / Н. Н. Малышева // Сборник научных трудов ДонГТУ. — 2020. — № 18 (61). — C. 50-57.
2. Касьян, Н. Н. Лабораторные исследования несущей способности охранных сооружений с распорным элементом [Текст] / Н. Н. Касьян, Н. Н. Малышева, И. Г. Сахно // Геотехническая механика : межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск : ИГТМ НАНУ, 2012. — Вып. 105. — С. 161-168.
3. Сахно, И. Г. Изучение динамики развития деформационных процессов и трещинообразования в породном массиве вокруг выработки, поддерживаемой за лавой [Текст] / И. Г. Сахно, Н. Н. Малышева, В. Е. Нефёдов // Науковий в1сник Нащонального г1рничого утверситету. — 2014. — № 6. — С. 46-51.
4. Каплун, А. Б. Ansys в руках инженера [Текст] : практическое руководство / А. Б. Каплун, Е. М. Морозов, М. А. Олферьева. — М. : Едиториал УРСС, 2003. — 272 с.
© Малышева Н. Н.
Рекомендована к печати д.т.н., проф., зав. каф. СЗПСиГДонНТУ Борщевским С. В.,
к.т.н., доц. каф. РМПИ ДонГТУ Леоновым А. А.
Статья поступила в редакцию 13.02.20.
Assistant Lecturer Malysheva N. N. (DonNTU, Donetsk, DPR, rpm@mine.donntu.org) INFLUENCE OF TIME OF PILLAR ENTRY INTO SERVICE ON THE EFFICIENCY MAINTENANCE OF WORKING IN "SHCHEGLOVSKAYA-GLUBOKAYA" MINE
The paper is devoted to study the influence of time ofpillar entry into service (presence/absence of a clearance between the roof and the pillar), as well its load-bearing strength on the efficiency maintenance of working. The pillar that comes into service within a day is proposed. Its rational parameters are justified.
Key words: pillar, pedestal with strut, Ansys, area under the curve, fraction of explained variance, modulus of deformation.
