Введение к работе
Актуальность работы. Повышение эффективности работы угольной промышленности невозможно без увеличения темпов проведения подготовительных выработок и обеспечения надежного их поддержания. Опыт разработки угольных месторождений показывает, что наблюдается ухудшение горно-геологических условий и увеличение протяженности поддерживаемых горных выработок. При этом обеспечение устойчивости горных выработок затруднено несовершенством конструкции крепей и технологии крепления, а также отсутствием эффективных средств механизации возведения крепей.
В угольной и горнорудной промышленности России в настоящее время достаточно широко применяются различные виды арочной металлической крепи горных выработок, выполняемые из прокатных профилей. Анализ объемов крепления по различным видам крепей горных выработок для ОАО «Кузбассуголь», ОАО УК «Кузнецкуголь», ОАО «ОУК «Южкузбассуголь», ОАО «СУЭК» в г. Ленинске Кузнецком показывает, что доля металлических рамных крепей в общем объеме крепления горных выработок остается значительной и достигает 46^54%. При этом в 2011 году по ОАО «Южный Кузбасс» металлической крепью было закреплено до 25% выработок.
Одним из направлений совершенствования горно-подготовительных работ является конструирование и внедрение новых профилей, позволяющих повысить несущую способность крепи и улучшить технико-экономические показатели при проведении, поддержании и проветривании горных выработок, а также снизить трудоемкость труда горнорабочих.
В связи с этим тема работы, направленная на геомеханическое обоснование крепления горных выработок металлической рамной крепью с усовершенствованным шахтным профилем, является актуальной.
Диссертационная работа выполнена автором в соответствии с планом НИР КузГТУ за 2001-2010 г.г. по темам:
«Разработка теорий, способов, математических моделей и средств управления состоянием и поведением массивов горных пород и грунтов с целью обеспечения устойчивости горных выработок, подземных и наземных сооружений, предотвращения проявлений опасных горно-геологических явлений»; «Гидро-, пыле-, аэро-, газо- и термодинамические процессы в массивах горных пород и грунтов, горных выработках и выработанном пространстве. Разработка методов и средств управления этими процессами».
Объектом исследования являются крепи горных выработок.
Предметом исследования является металлическая крепь из специальных шахтных профилей, обеспечивающая устойчивость горных выработок.
Целью работы является геомеханическое обоснование крепления горных выработок металлической крепью для повышения их устойчивости и улучшения проветривания при снижении затрат на производство крепи и ведение горных работ.
Идея работы заключается в использовании геомеханических закономерностей взаимодействия нового специального шахтного взаимозаменяемого профиля ШП с массивом горных пород, повышающего несущую способность крепи и снижающего коэффициент аэродинамического сопротивления закрепленной выработки.
Задачи исследования.
-
Провести анализ устойчивости крепей и поддерживаемой выработки на основе отечественного и зарубежного опыта применения металлических крепей горных выработок и выявить пути повышения эффективности их применения.
-
Повысить устойчивость и снизить аэродинамическое сопротивление закрепляемой горной выработки путем выбора рациональных геометрических параметров нового профиля металлической крепи;
-
Провести геомеханическое обоснование несущей способности металлической крепи из новых шахтных профилей типа ШП при взаимодействии с массивом горных пород в выработке, оценить суммарный экономический эффект от ее применения.
Методы исследований включают: аналитический обзор научных работ отечественных и зарубежных исследователей по разработке и использованию специальных металлических профилей для изготовления металлических крепей горных выработок; методы сопротивления материалов для расчета прочностных характеристик специальных профилей; математическое моделирование методом конечных элементов взаимодействия крепей с массивом горных пород в выработке; технико-экономический анализ по результатам проведенных исследований.
Научные положения:
-
-
Повышение устойчивости крепи и выработки достигается при увеличении соотношения между шириной и высотой профиля до значений, равных 2,9^3,6; при этом моменты сопротивления профиля ШП относительно вертикальной оси увеличиваются в 1,4^1,7 раза, а площадь поддержания горной выработки на 97%^150%;
-
Коэффициент аэродинамического сопротивления горной выработки, закрепленной профилем ШП, снижается на 7^11% за счет увеличения площади поперечного сечения горной выработки в свету на 8%, и уменьшения числа арок по длине выработки на 18^27%;
-
Крепь с профилем ШП по сравнению с профилем СВП имеет повышенную несущую способность на 6^17%, предельная глубина проведения подготовительных выработок при креплении профилем ШП-21 составляет 1220^1580 м.
Научная новизна состоит:
- в оценке факторов, позволяющих повысить эффективность применения металлических крепей;
-
в обосновании направления изменения геометрических параметров профиля металлической крепи для повышения ее несущей способности и снижения коэффициента аэродинамического сопротивления выработок;
-
в геомеханическом обосновании взаимодействия металлических крепей с массивом горных пород в горных выработках, показавших более высокую несущую способность крепей с профилем ШП по сравнению с применяемым профилем СВП;
-
в установлении зависимостей, позволяющих рассчитать предельную глубину крепления выработок профилем ШП.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректным применением современных методов научного анализа и обобщения данных, метода конечных элементов, механики деформируемого твердого тела, сходимостью результатов натурных стендовых испытаний крепей с результатами математического моделирования этих испытаний (не более 10%), положительными результатами внедрения.
Личный вклад автора состоит:
-
в определении количественной зависимости между высотой специальных шахтных профилей и площадью поперечного сечения горной выработки в проходке при выемке дополнительного объема горной массы и размещении металлической крепи в выработке;
-
в анализе влияния высоты специального шахтного профиля на аэродинамическое сопротивление горных выработок, закрепленных металлической крепью из специальных шахтных профилей;
-
в проведении исследований по определению влияния параметров поперечного сечения профиля на его прочностные характеристики;
-
в разработке нового специального шахтного профиля типа ШП и металлических крепей из данных профилей;
-
в проведении математического моделирования взаимодействия крепей с массивом горных пород;
Научное значение работы заключается в установлении факторов, позволяющих повысить эффективность применения металлических крепей из специальных шахтных профилей типа СВП, в решении задачи о взаимодействии крепи с массивом горных пород; в определении рациональных геометрических параметров поперечного сечения профиля, что позволяет получить новый экономичный специальный шахтный профиль типа ШП с повышенной несущей способностью и меньшим значением коэффициента аэродинамического сопротивления крепи.
Практическое значение работы заключается в том, что применение установленных зависимостей позволяет рассчитать предельную глубину проведения горных выработок, с учетом коэффициента бокового распора, при которой металлическая крепь из профилей ШП сохраняет свою несущую способность и обеспечивает устойчивость горной выработки.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались: на семинарах кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых» КузГТУ в 2005^2010 гг.; на научно-практической конференции студентов и аспирантов КузГТУ в 1999, 2000г.; на I Региональной научно- практической конференции «Влияние научно-технического прогресса на экономическое развитие Кузбасса» КузГТУ в 2007 г.; на XI Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири: Сибресурс 2006», а также на технических совещаниях ЗАО «КузНИУИ», ОАО «Кузбассгипрошахт», ОАО «СУЭК», ОАО «Кузбассуголь», ОАО «УК «Южкузбассуголь», а также получили положительные рекомендации о возможности использования разработанного профиля ШП для крепления горных выработок в ОАО «Кузбассгипрошахт», ОАО «СУЭК-КУЗБАСС», ОАО «Кузбассуголь», ОАО УК «Южкузбассуголь». На разработанные паспорта крепления горных выработок металлической рамной крепью из шахтного профиля ШП получено положительное заключение ЗАО «КузНИУИ».
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ (одна из них монография) и патент на изобретение, в том числе 5 работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 165 страниц печатного текста, 72 рисунка, 44 таблицы, список использованной литературы из 74 наименований.
Похожие диссертации на Геомеханическое обоснование крепления горных выработок металлической крепью с профилем ШП
-
