Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема разработки пластовых месторождений полезных ископаемых на больших глубинах приобрела большое значение во всех странах с развитой горно-добывающей промышленностью.
В перспективе при средних темпах углубления горных работ на 10 м в год глубина разработки полезных ископаемых на многих предприятиях достигнет 1400-1600 м. На указанных глубинах породы в окрестности горных выработок под воздействием горного давления разрушаются и состояние горных выработок перестает отвечать технологическим требованиям. Это снижает эффективность разработки пластовых полезных ископаемых и безопасности работ на больших глубинах. Использование без каких-либо принципиальных изменений традиционных технологий сооружения горных выработок в сложных горногеологических условиях больших глубин не дает положительных результатов. Протяженность горных выработок с площадью сечения, не удовлетворяющей требованиям ПБ, достигает 30-35 %, уровень концентрации горных работ в выемочном поле снизился в 2-3 раза.
Для действующих и строящихся глубоких предприятий повышение уровня концентрации и интенсификации горных работ немыслимо без совершенствования технологий сооружения горных выработок, создания крепей повышенной податливости. Не умаляя роли и значения крепи, следует отметить, что решающее влияние на состояние горных выработок оказывает технология сооружения, которая должна предусматривать защиту их от вредных проявлений горного давления в нетронутом и подверженном влиянию очистных работ массиве.
Сохраняемые в области целиков полезного ископаемого капитальные и подготовительные выработки подвергаются повышенному воздействию горного давления, теряют устойчивость и разрушаются. Это снижает эксплуатационную надежность функционирования подсистем предприятий, увеличивает потери подготовленных запасов месторождений. Отсутствие технологий сооружения горных выработок, обеспечивающих безремонтное их содержание на протяжении всего времени отработки выемочных полей, не позволяет, как показали исследования, приостановить тенденцию снижения технико-экономических показателей с углублением горных работ.
Концепция повышения эффективности разработки пластовых полезных ископаемых и безопасности работ на больших глубинах базируется на комплексном подходе к обоснованию и созданию крепи повышенной податливости, технологий сооружения горных выработок, устраняющих отрицательное влияние природных факторов на процессы ведения очистных и подготовительных работ. В этом заключается актуальность проблемы, решение которой имеет важное экономическое и социальное значение на этапе реформирования горнодобывающей промышленности.
рос. национальная , БИБЛИОТЕКА СПетерву OS 300»
)ТЕКА І
Актуальность работы подтверждается выполнением ее в лаборатории поддержания и крепления горных выработок Донецкого научно-исследовательского угольного института Минуглепрома Украины в период с 1986 по 1996 г. в соответствии с программой решення-научно-технических проблем по
совершенствованию горно-подготовительных работ на основе повышения уровня технологических процессов, машин и средств проведения, сохранения капитальных и подготовительных горных выработок.
Цель диссертации — создание научно-методологических основ и технологий обеспечения устойчивости горных выработок при разработке пластовых месторождений полезных ископаемых на больших глубинах
Основная идея работы заключается в комплексном использовании эффекта уменьшения влияния горного давления на горные выработки, что досіигастся применением разгрузки вмещающего их массива, крепей повышенной податливости и технологий заполнения пустот за крепью вяжущими материалами
Методы исследований. Для достижения поставленной цели в работе использованы: анализ и оценка устойчивости крепи и горных выработок, способов предотвращения выдавливания пород; численно-аналитический метод исследования напряженно-деформированного состояния (НДС} массива вокруг выработок в зависимости от прочности пород, глубины и технологий их сооружения; методы математической статистики и математического планирования экспериментов; шахтные инструментальные наблюдения сдвижений и давлений пород с помощью глубинных и контурных реперов, струнных датчиков; математические методы установления технологических параметров взрывополостного разрушения массива вокруг выработок; методы экономической оценки разработанных технологий сооружения горных выработок.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
обоснование технологических схем повышения устойчивости горных выработок за счет образования разгрузочных полостей, способствующих снижению нормаїьньїх напряжений в массиве вокруг горных выработок до значений меньших предела сопротивления пород разрушению;
закономерности изменения устойчивости выемочных выработок на сопряжении с очистным забоем, учитывающие технологии их проведения, длину лавы и глубину её расположения, физико-механические свойства вмещающего массива и формирующиеся вблизи него нормальные напряжения;
обоснование применения новой рамной металлической крепи в сложных горно-геологических условиях при значительной вертикальной конверг ен-ции в сочетании с локальной разгрузкой массива от горного давления вокруг выемочных выработок, сооружаемых как впереди очистного забоя, так и на границе с выработанным пространством лавы;
разработанные эффективные и безопасные технологии сооружения устойчивых горных выработок, базирующиеся на комплексном использовании металлических крепей повышенной податливости, локальной и региональной разгрузке вмещающего массива, набрызг бетона и заполнения пустот за крепью, обеспечивающем максимальное снижение отрицательного влияния глубины на проявление основных горно-геологических и горно-технических факторов.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются:
корректным использованием численного метода определения нормальных напряжений в массиве вокруг горных выработок в зависимости от глубины и технологий их сооружения, длины лавы;
экспериментальным подтверждением устойчивости горных выработок при применении новых технологий их сооружения, в том числе металлической крепи высокой податливости;
апробацией и внедрением в шахтных условиях технологий сооружения горных выработок с взрывополостной и механической разгрузкой массива вокруг горных выработок;
удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и шахтных исследований эффективности технологий сооружения горных выработок (расхождение не превышает 20 %).
Научная новизна исследований заключается в следующем:
установлено, что одновременное применение горизонтальных и наклонных полостей является эффективной технологической схемой разгрузки массива от влияния горного давления вокруг горных выработок:
разработан новый метод расчета длины полостей для разгрузки массива от нормальных напряжений вокруг горной выработки в зависимости от площади поперечного сечения, глубины и технологии её сооружения, физико-механических свойств пород;
обосновано влияние длины лавы на напряженно-деформированное состояние массива вблизи выемочных выработок и определено, что большинство пород прочностью на сжатие 50 МПа вокруг них на глубине свыше 800 м при длине лавы 100 м и более разрушаются и теряют устойчивость,
оптимизирована геометрическая форма металлической податливой крепи, радиус криволинейного участка верхняка которой зависит ог проектной площади поперечного ее сечения, высоты прямолинейных стоек, учитывающей прогнозируемую вертикальную конвергенцию, длины верхней прямолинейной части криволинейного участка:
обоснованы параметры взрывополостной технологии разрушения массива вокруг горных выработок в зависимости от глубины их сооружения, получено приближенное функциональное соотношение диаметра разгрузочных и вспомогательных скважин с камуфлетным зарядом;
разработана технология соор>жсния горных выработок, предусматривающая опережающую выемку угля по пласту бурошнековыми машинами с обеих сторон забоя в направлении его движения, закладку породой образованного ими свободного пространства, равного по ширине длине разгрузочной полости, которая обеспечивает их устойчивость;
разработаны технологии сооружения горных выработок различного функционального назначения, предусматривающие заполнение пустот за крепью вяжущими материалами, применение крепи высокой податливости, региональной и локальной разгрузки от влияния горного давления вмещающего их массива.
Практическое значение работы заключается в следующем:
разработан, запатентован и испытан метод определения длины полостей, образование которых обеспечивает перемещение нормальных напряжений в глубь массива, а также их снижение до значений, меньших предела прочности пород при сжатии, и за счет этого соответствие состояния горных выработок технологическим требованиям;
обоснована замена недостаточно эффективных и небезопасных технологий сооружения горных выработок новыми технологиями, обеспечивающими устойчивость и повторное использование горных выработок;
разработана, запатентована и испытана в шахтных условиях рамная металлическая крепь повышенной податливости, с достаточным рабочим сопротивлением и необходимой несущей способностью, позволяющая обеспечить требуемый правилами безопасности уровень состояния горных выработок, снизить трудоемкость работ на сопряжении лавы и время на передвижение забойного конвейера;
создан, запатентован и испытан в шахтных условиях способ предотвращения выдавливания пород в горные выработки путем камуфлетного взрыва взрывчатых веществ в скважинах массива, масса заряда в которых зависит от напряженно-деформированного его состояния и коэффициента отражения импульсных волн напряжений от границ раздела и вмещающих пород
Реализация результатов работы. Результаты исследований и разработок использованы в следующих документах: «Технологические схемы охраны выработок взрывополостной разгрузкой породного массива» (Донецк: ДонУГИ УССР, 1989.— 38 с); «Временные технологические схемы выемки тонких пологих угольных пластов с применением бурошнековых машин» (Шахты: ОАО «Компания «Ростов-уголь», 2003.—14 с).
Диссертация является составной частью программы исследований, выполненных согласно решению Минуглепрома СССР и отраженных в отчетах ОН ИР, а также работ по созданию рамных металлических податливых крепей, технологий сооружения капитальных и подготовительных выработок, осуществленных в Новочеркасском политехническом институте. Отдельные результаты исследований вошли в отраслевой нормативный документ «Технологические схемы охраны горных выработок взрывополостной разгрузкой породного массива», научным руководителем разработки которого являлся автор диссертации.
Нормативные документы используют угольные шахты и проектные организации. Практическое применение результатов исследований позволило повысить устойчивость горных выработок, безопасность ведения работ, снизить уровень потерь полезных ископаемых, получить экономический эффект 19,5 млн руб.
Апробация работы. Основные положения работы, результаты выполненных исследований и содержание опубликованных работ докладывались на- Всесоюзном научно-техническом совещании НТО-горное и НТС Минуглепрома СССР «Совершенствование и организация работ при строительстве и эксплуатации угольных
шахт на больших глубинах и в сложных горно-геологических условиях» (Донецк, 1985); Всесоюзном совещании «Подземная разработка руд на больших глубинах» (Москва: ИПКОН АН СССР, 1986); VIII Всесоюзном семинаре «Оптимизация горных работ и фрагменты САПР» (Новосибирск: ИГД СО АН ССР, 1990); научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва: МТУ, 2004); научной конференции ЮРГТУ (Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2004).
Публикации. Основные положения и выводы диссертационной работы изложены в 44 печатных работах, включая 3 монографии, 2 нормативных документа, 6 авторских свидетельствах и патентах.
Объем и структура работы. Диссертация общим объемом 282 стр. состоит из введения, пяти разделов, заключения, приложения и содержит 55 рис., 22 табл., список литературы из 176 наименований и приложения.
