Введение к работе
Актуальность проблемы. Дальнейшее ускорение научно-технического прогресса в горной промышленности связано с фундаментальными исследованиями и поиском новых решений прикладных задач по создании прогрессивных технологий проведения и поддержания выработок. Необходимость таких исследований усиливается устойчивой тенденцией к снижению показателей горнопроходческих работ, главными объективными причинами которой являются постоянное увеличение глубины работ, рост напряженного состояния массива, вовлечение в разработку участков месторождений со сложными горногеологическими условиями. Все это привело к усиливающейся рассогласованности параметров технологии с геомеханическими условиями ведения работ в забое , к активизации проявлений горного давления (особенно динамического типа - внезапных выбросов и горных ударов), к снижению эффективности буровзрывных работ и другим негативным последствиям.
Известные в геомеханике подходы, как правило, основываются на решениях задач упругости, вязко-упругости и пластичности о напряженно-деформированном состо|нии (НДС) вокруг статически неизменного контура выработок, рассматриваемого чаще всего в плоской постановке, в постоянном поле напряжений и в достаточно простой схематизации постановки задачи. В то же время наивысшая интенсивность динамических проявлений горного давления в выработках наблюдается в моменты активного изменения напряженного состояния окружающего массива, связанного в подавляющем большинстве случаев с влиянием движущегося забоя. При этом основными признаками движущегося забоя являются скорость подвигания забоя, изменение геометрии забоя в процессе его обработки (создание опережающей выемки или врубовой полости), взаимовлияние двух забоев, сближение забоя с расположенной впереди него неоднородностью (нарушением или пластом), взаимодействие очистного забоя с подготовительными выработками и др.
Поэтому для интенсификации горнопроходческих работ и повышения эффективности поддержания выработок необходимо согласовать технологию с геомеханикой в виде выбора геомеханически обоснованных параметров технологии и создания эффективных способов управления горным давлением, базирующихся на знании закономерностей формирования пространстненного НДС массива в окрестности движущихся подготовительного и очистного забоен в различных горно-технических ситуациях т работы.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами программ: 0.05.05. "Создать и внедрить комплекс методов и средств прогноза и предотвращения внезапных выбросов угля, породы и газа в шахтах", утвержденной Постановлением ГКНТ, Госплана и АН СССР 9 475/25I/I3I от 12.12.80 г.; 3.2.1.7 "Разработка теоретических основ прогнозирования горного давления в угольных шахтах" по программе "Сибирь"; "Геомеханическое обоснование новых технологий добычи угля", утвержденной ГКНТ СССР * 158 от 16.04.84 г.
Цель работы - развитие представлений о геомеханических процессах вокруг горных выработок в окрестности движущегося забоя и геомеханическое обоснование эффективных способов проведения и поддержания выработок.
Идея работы заключается в установлении и использовании особенностей, обусловленных движением забоя, пространственным расположением и взаимным влиянием выработок, в описании НДС массива горных пород.
Задачи исследований;
сформулировать постановку пространственных задач геоыеханики, разработать и развить эффективные алгоритмы их решения для комплекса выработок, включающего подготовительный забой простой и сложной формы, спаренные забои, забой при вскрытии нарушения и пласта, очистной забой с прилегающими подготовительными выработками и др.;
разработать и реализовать алгоритм расчета НДС вязко-упругого массива в окрестности движущегося подготовительного, забоя с учетом релаксации напряжений и диссипации энергии;
выявить закономерности и динамику изменения НДС массива в окрестности забоя в свете формирования выбросоопасной ситуации, выяснить влияние формы забоя, порядка его обработки и взаимного влияния спаренных забоев на опасность внезапного выброса;
исследовать влияние скорости проведения выработки на опасность возникновения динамических явлений, сопоставить реологические и релаксационные процессы в массиве в окрестности забоя со скоростыа проведения выработки в реальном диапазоне скоростей, дать основы выбора безопасной скорости проходки;
промоделировать геомеханическую ситуацию вскрытия геологического нарушения и угольного пласта выработкой, изучить взаимодействие движущегося забоя и пласта с учетом влияния освобождающегося газа;
установить влияние скорости проходки на поведение пород за забоем, оценить их устойчивость и сделать геоыеханическое обоснование возможности применения поточной технологии проведения выработок;
определить влияние НДС впереди забоя на эффективность буровзрывных работ и оптимальные геомеханические условия работы зарядов, изучить механические процессы при образовании в забое врубовой полости;
установить влияние разгрузочных щелей на повышение устойчивости обнажения, выбрать устойчивую форму обнажения;
изучить влияние движущегося очистного забоя на подготовительные выработки, установить особенности деформирования пород на сопряжении лава-штрек в свете использования их при поддержании выработок за лавой.
Методы исследований предусматривали расчеты НДС массива и геомеханический анализ различных горно-технических ситуаций, возникающих в окрестности движущегося забоя при проведении и поддержании выработок, и включали в себя:
численную реализацию метода граничных интегральных уравнений по А.Я.Александрову с применением приемов сокращения времени решения задач на ЭВМ (метода Зейделя, уточнения Люстерника, перехода к ленточной матрице) для расчетов упругого НДС в окрестности подготовительного забоя простой и сложной формы, спаренных забоев, забоя при вскрытии нарушения и пласта, очистного забоя с прилегающими подготовительными выработками;
численную реализацию на ЭВМ разработанного алгоритма решения пространственной задачи вязко-упругости с использованием положений теории ползучести Ж.С.Ержанова, физических уравнений Больцмана-Во-льтерра и соотношений Г.И.Гуревича для расчетов НДС в окрестности движущегося с определенной скоростью подготовительного забоя, в том числе с учетом релаксации напряжений и диссипации энергии по Надай;
шахтные эксперименты регистрации импульсов акустической эмиссии и замера электросопротивления пород для косвенного анализа НДС реального массива в окрестности забоя;
натурные замеры смещений пород в поддерживаемых выработках.
Основное научные положения, выносимые на защиту:
п процессе подвигания забоя вокруг выработки происходит нерав-
номерная разгрузка пород от исходного напряженного состояния, когда одна компонента нормальных напряжений снижается гораздо быстрее двух других, что приводит к появление различных разрушающих эффектов, в том числе и от деформаций растяжения;
пространственное взаимовлияние горных выработок и массива проявляется в виде усложнения характера разгрузки пород и усиления их деформирования в окрестности забоя при возрастании разрушающих эффектов, которые активизируется в моменты резкого изменения геометрии обнажения;
скорость проведения выработки оказывает существенное влияние на деформационные и релаксационные процессы в окрестности подготовительного забоя, при этом информативным показателем опасности динамического явления может служить отношение между скоростью диссипации и скоростью накопления упругой энергии, с уменьшением которого опасность разрушения возрастает, на основе чего выбирается безопасная скорость проведения выработки;
пространственное формирование зон деформаций растяжения при прочих равных условиях зависит от соотношения исходных напряжений в массиве, формы забоя и взаимного влияния спаренной выработки и определяет характер деформирования пород, знание которого служит основой для эффективного предотвращения газодинамических явлений;
порядок обработки забоя оказывает существенное влиянио на разгрузку пород в разКых частях приэабойного пространства, выбор рационального порядка обработки забоя основан на постепенной разгрузке опасной зоны за счет расположения' опережавшей выемки в противоположной части забоя;
процесс сближения выработки с геологическим нарушением сопровождается взаимодействием и слиянием зон деформаций растяжения у выработки и у нарушения, нарастанием плотности энергии формоизменения в растянутой области и извинением опасности разрушения массива в виде внезапного выброса;
при вскрытии угольного пласта выработкой активным элементом является давление освобождающегося газа, которое создает дополнительное давление на породную перемычку, отделяющую пласт от выработки; в зависимости от крепости пород и начального давления газа разрушение перемычки может происходить при различном расстоянии до пласта;
впереди забоя за счет растяжения пород возникает зона благоприятных условий разрушения массива взрывом; глубина этой зоны равна глубине зоны деформаций растяжения и может служить для выбора объ-
ективной глубины шпуров по фактору горного давления; увязка субъективной (по организационно-техническому фактору) и объективной глубины шпуров осуществляется применением выпуклой формы забоя и реализуется ярусным взрыванием оконтуривающих шпуров;
выбором параметров врубовой полости реализуется принцип контурного взрывания за счет наложения границы зоны растяжения на проектный контур выработки и повышается эффективность работы зарядов в массиве с ярко выраженной трещиноватостыо или слоистостью;
эффективное управление состоянием массива вокруг выработок обеспечивается применением геомеханически адаптивных способов, основанных на более равномерной разгрузке пород от их исходного состояния до состояния вокруг выработки; это достигается: для повыпения устойчивости выработки - приданием обнажению выпуклой формы или прореза-нием щелей по краям обнажения, для снижения удароопасности - образованием щелей или установкой распорных элементов в направлении максимальных сжимающих напряжений в массиве;
усиление деформирования повторно используемых штреков за лавами происходит в основном из-за разрушений пород в их почве, которое является следствием обрушений кровли в очистном забое и восстанавливает картину симметрии разрушений вокруг плоскости пласта; эффективными направлениями охраны и поддержания выработок являются обрез как кровли, так и почвы вдоль выработки и целенаправленная борьба с пучением.
Достоверность научных положений подтверждается:
необходимым объемом выполненных в рамках диссертации экспериментальных исследований при проведении и поддержании выработок по пластам Кг,, Kjq, Д на шахтах "Саранская", им.В.И.Ленина, им.Костенко 110 "Карагандауголь", на рудниках Восточного Казахстана и Восточного Саяна с применением современных методов и приборов, а также результатами других исследований в широком диапазоне свойств и условий;
удовлетворительной (с точностью до 5) сходимостью результатов трехмерных расчетов, полученных методом граничных интегральных уравнений, с базовыми решениями теории упругости для вырезов соответствующей формы в плоскости;
качественным соответствием закономерностей НДС массива вокруг выработок результатам оптического моделирования и фактическим данным о проявлении горного давления в виде полостей разрушения, образующихся при внезапных выбросах, зон трещинообразования и смещение
пород;
практикой эффективного применения результатов исследований и рекомендаций при проведении выработок по особовыбросоопасному пласту Д$ и поддержании выработок на пластах Кг, и Kjq.
Научная новизна работы заключается в следующей:
разработан эффективный алгоритм расчета пространственного НДС методом граничных интегральных уравнений, отличающийся применением эффективных методов сходимости решения и реализованный для окрестности подготовительного забоя простой и сложной формы, двух различно расположенных подготовительных забоев, забоя выработки вблизи нарушения и пласта, очистного забоя с примыкающими к нему подготовительными выработками;
разработан алгоритм расчета пространственного НДС вязко-упругого массива в окрестности движущегося забоя, отличающийся учетом истории нагружения массива в процессе проведения выработки и вычислением фактического напряженного состояния, получаемого сложением деформационного и релаксационного процессов с переходом упругих деформаций в деформации ползучести; ,
установлены закономерности изменения НДС в окрестности одиночного и вэаиыовлияющих спаренных забоев при проведении выработки в массиве с аномалиями напряженного состояния, отличающиеся формированием разрушающих эффектов, в том числе зон деформаций растяжения, знание которых позволяет геомеханйчески обосновать возникновение выбросоопасной ситуации в забое и 'разработать эффективные меры предотвращения внезапных выбросов;
обоснована повышенная опасность разрушения пород в динамической форме при повышенной скорости подвигания забоя, заключающаяся в уменьшении отношения между скоростью диссипации и скоростью накопления упругой энергии в приэабойной зоне, на основании чего даны принципы выбора безопасной скорости проведения выработки по известным характеристикам пород;
выявлены особенности взаимодействия приближающегося забоя и геологического нарушения, отличительной чертой которых является существование зоны деформаций растяжения у нарушения, которая при приближении забоя сливается с зоной растяжения у выработки с нарастанием плотности энергии формоизменения и повышением опасности разрушения в виде внезапного выброса;
установлена механика формирования выбросоопасной ситуации при вскрытии пласта выработкой, отличительной чертой которой является
прирост давления на породную перемычку, отделяющую пласт от выработки, за счет неснижения общего напряженного состояния пласта вследствие десорбционных процессов, протекающих в нем;
выявлены особенности формирования зоны неупругих деформаций позади забоя, отличительной чертой которых является полная диссипация упругой энергии массива, происходящая на некотором удалении от забоя, зависящем от скорости проведения выработки; даны принципы выбора минимально допустимой скорости, обеспечивающей применение поточной технологии в забое;
предложен и обоснован критерий выбора глубины шпуров, отличающийся учетом наиболее благоприятных условий разрушения массива впереди забоя, возникающих в зоне деформаций растяжения; доказана возможность увязки данной глубины с необходимой глубиной шпуров, выбранной по организационно-техническому фактору, путем формирования выпуклой формы забоя с ярусным взрыванием оконтурива"ощих шпуров;
разработана концепция повышения устойчивости контура выработок, отличающаяся приданием обнажению нетрадиционной выпуклой формы, которая эквивалентна прорезали» щелей по краям обнажаемого участка, при этом управление состоянием массива обеспечивается увеличением объема зон возможных разрушений и снижением концентрации разрушающих напряжений и деформаций в них;
установлены закономерности изменения НДС в окрестности поддерживаемых за лавой выемочных штреков, отличительной чертой которых является усиление разрушающих эффектов в почве штреков при обрушении пород кровли в лаве, что объясняется достижением симметрии разрушений вокруг центральной плоскости пласта; обоснована возможность эффективной охраны и поддержания штреков за лавой путем обреза кровли и почвы вдоль штреков и целенаправленной борьбы с пучением;
созданы новые способы управления состоянием массива при проведении и поддержании выработок, синтезирующие разработанные научные положения и защищенные авторскими свидетельствами на изобретения.
Личный вклад автора состоит:
в формулировке задач, разработке и развитии алгоритма их упругого решения методом граничных интегральных уравнений с использованием численной реализации А.Я.Александрова и приемов сокращения времени решения задач на ЭВМ;
в изучении и теоретическом обобщении закономерностей формирования пространственного НДС лиесива в окрестности одиночного подготовительного забоя простой и сложной формы, спаренных лабоев , э&бо?.
вблизи угольного пласта и нарушения, сопряжения очистного забоя с подготовительными выработками;
в выявлении особенностей, связанных с образованием и развитием зон деформаций растяжения, в процессе формирования выбросоопасной ситуации в одиночном забое и обосновании защитного эффекта спаренных забоев;
; в установлении характера разгрузки пород при различной форме забоя и обосновании рационального порядка обработки забоя, учитывающего выбросоопасность массива;
в выявлении особенностей геомеханического состояния подготовительного забоя при вскрытии им геологического нарушения и угольного пласта;
в разработке алгоритма расчета ИДО вязко-упругого массива в окрестности движущегося забоя с учетом релаксации напряжений и диссипации энергии;
в обосновании влияния скорости проведения выработки на возникновение динамических явлений в забое и разработке основ выбора безопасной скорости внедрения в массив;
в разработке геомеханических принципов эффективной работы шпуровых зарядов по зоне деформаций растяжения впереди забоя и обосновании формы вруба при проведении выработок буровзрывным способом;
в установлении влияния формы обнажения на НДС пород и обосновании эффективности выпуклой формы;.
в формулировке геомеханических.принципов охраны и поддержания выработок за лавой;
в разработке новых способов управления состоянием массива при проведении и поддержании выработок, основанных на более равномерной разгрузке пород и создании благоприятных условий работы массива путем бурения скважин, перехода на рациональную форму контура, щелеобразования, установки распорных элементов и др.
Практическое значение работы. Результаты выполненных исследова- . нмй позволяют: ,
существенно расширить возможности решения пространственных задач геомеханики за счет разработки и реализации эффективных алгоритмов расчета НДР в окрестности движущегося забоя;
получить подробное описание пространственной картины НДС вокруг подготовительного забоя в различных горно-технических ситуациях его работы и очистного забоя с прилегающими подготовительными выработками;
устанавливать участки пород, потенциально опасные по внезапным выбросам, выбирать рациональный порядок обработки забоя и расположения спаренных выработок в зависимости от условий выбросоопаснос-ти;
получить описание деформационного и релаксационного процессов в окрестности движущегося забоя в зависимости от скорости проведения выработки и свойств пород;
выбирать скорость проведения выработки, обеспечивающую управляемое поведение массива в свете предотвращения динамических явлений и перехода на поточную технологій проходки;
обеспечивать оптимальные геомеханические условия работы шпуровых зарядов впереди забоя за счет выбора глубины шпуров и размеров вруба;
устанавливать связь между геомеханикой сопряжений лава-штрек и параметрами движения очистного забоя в свете эффективного поддержания выработок за лавой;
разрабатывать новые способы управления горным давлением при проведении и поддержании выработок.
Результаты работы реализованы путем:
внедрения на шахте им.В.И.Ленина способов проходки выработок по особовыбросоопасному пласту Дд, с использованием которых было пройдено 9,5 км выработок и за счет увеличения средней скорости проведения с 22,4 до 54 м/мес получен фактический экономический эффект в размере 450 тыс.руб;
внедрения на шахте "Саранская" способов поддержания повторно используемых выработок в лавах 41 Kj0-3. 52 Kj0-B, 42 К7-З» 51 Kjq-3, 51 Кг,-3, с использованием которьк было поддержано 3,5 км штреков и за счет снижения затрат на поддержание получен фактический экономический эффект в размере 580 тыс.руб;
включения в нормативные документы: "Технологические схемы проведения подготовительных выработок по пластам, склонным к внезапным выбросам угля и газа на шахтах Тенгекского района Карагандинского бассейна. - Караганда: КНИУИ, 1986"; "Схемы и технология прогноза и предотвращения внезапных выбросов угля и газа при проведении подготовительных выработок комбайнами на выбросоопасных мощных и средней мощности пластах. - Кемерово: ВостНИИ, 1989";
передачи программы расчета пространственного НДС в окрестности забоя вблизи нарушения в Башкирский государственный университет, с помощью которой проведены исследования и получен экономический
эффект в размере 217 тыс.руб;
использования в учебном процессе включением в учебное пособие: "Управление состоянием массива горных пород. Часть ІУ. - Караганда: КарПТИ, 1982".
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и получили положительную оценку на Ш, ІУ и УІ Всесоюзных семинарах "Аналитические методы и применение ЭВМ в механике горных пород" (Новосибирск, 1980, 1962, 1991), на УП, УШ и IX Всесоюзных конференциях по механике горных пород (Днепропетровск, 1981, Тбилиси, 1985, Фрунзе, 1969), на УП, IX, X, XI и ХГ1 Всесоюзных семинарах по исследованию горного давления и охране капитальных и подготовительных выработок (Владивосток, I960, Кемерово, 1984, 1986, Фрунзе, 1988, Алма-Ата, 1990), на УП Всесоюзной конференции "Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов" (Москва,1981), на II Всесоюзной конференции "Проблемы механики подземных сооружений" (Тула, 1982), на Всесоюзном совещании "Вопросы разработки технологических процессов и технических средств для подземной добычи угля в сложных горю-геологических условиях" (Донецк, 1985), на конференции "ЭВМ и науки о Земле" (Новосибирск, 1986), на XI Всесоюзном семинаре по измерению напряжений в массиве горных пород (Новосибирск, 1990).
Публикации. Основные результати работы опубликованы в 50 печатных трудах, включая 2 монографии и'20 а.с. на изобретения.
Обгем работч. Диссертационная работа состоит из введения, 9 глав, заключения, списка литературы из 200 наименований, приложений и содержит 335 страниц машинописного текста, в том числе 124 рисунка.
Автор выражает искреннюю признательность и благодарность члену-корреспонденту АН СССР Г.И.Грицко, академику АН КазССР Ж.С.Ержано-ву, проф. Ю.А.Векслеру', доц. С.Б.Колоколову, кандидатам техн.наук А.А.Еданкину, Ю.Ы.Бирюкову, В.А.Киму и другим за участие и помощь в процессе выполнения работы, ценные советы и критические замеча-
ния в процессе представления ее к защите.