Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ производственного опыта и научно-технических разработок технологии проведения и поддержания широкопролётных выработок на угольных шахтах 11
1.1 Анализ производственного опыта проведения широкопролтных выработок на угольных шахтах 11
1.1.1 Анализ производственного опыта проведения и крепления монтажных камер 12
1.1.2 Анализ производственного опыта формирования и крепления демонтажных камер 19
1.1.3 Анализ производственного опыта проведения и крепления сопряжений и пересечений горных выработок . 22
1.2 Анализ производственного опыта охраны и поддержания широко-пролтных выработок угольных шахт 29
Актуальность обоснования параметров технологии проведения и поддержания широкопролтных выработок угольных шахт. Задачи исследований . 35
ГЛАВА 2. Исследование закономерностей взаимодействия широкопролётных выработок и углепородного массива с учётом влияния повышенного горного давления 38
2.1 Разработка алгоритма расчта напряжений и деформаций пород в окрестности широкопролтных выработок угольных шахт с учтом влияния повышенного горного давления . 38
2.2 Исследование влияния ширины выработки на геомеханическое состояние углепородного массива при повышенном горном давлении 49
2.3 Исследование влияния повышенного горного давления на геомеханические параметры демонтажных камер 61
Выводы 65
ГЛАВА 3. Оценка эффективности и обоснование направлений совершенствования технологических схем проведения и поддержания монтажных и демонтажных камер . 67
3.1 Адаптация технологических схем проведения и поддержания монтажных камер . 67
3.1.1 Технология расширения монтажной камеры с помощью проходческого комбайна и одновременным монтажом секций механизированного комплекса . 69
3.1.2 Технология расширения монтажной камеры с помощью очистного комбайна и одновременным монтажом секций механизированного комплекса 71
3.2 Адаптация технологических схем проведения и поддержания де-монтажных камер 75
3.3 Адаптация технологических схем проведения и крепления широ-копролтных выработок 79
Выводы 80
ГЛАВА 4. Концепция и принципы обоснования параметров технологии проведения и поддержания горных выработок в структуре равнопрочной подсистемы «технология крепьгеомассив» 82
4.1 Выбор направлений исследований по созданию методики расчета и обоснования параметров крепи широкопролтных выработок угольных шахт 82
4.2 Обоснование концепции и принципов обоснования параметров технологии проведения и поддержания горных выработок в структуре равнопрочной подсистемы «Технологиякрепьгеомассив» . 86
Выводы 97
ГЛАВА 5. Разработка методики обоснования параметров технологии проведения и поддержания камер и сопряжений горных выработок угольных шахт .
5.1 Общие положения 100
5.2 Методические основы алгоритма расчета параметров крепей сопряжений горных выработок 102
5.3 Исходные данные для расчета параметров крепей сопряжений горных выработок 103
5.4 Алгоритм расчета геометрических параметров сопряжений горных выработок 103
5.4.1 Расчтные схемы и геометрические параметры сопряжений горных выработок 103
5.4.2 Расчт длины прилегающих к сопряжению участков выработок, испытывающих повышенное горное давление, и площадей обнажения пород кровли . 108
5.4.3 Алгоритм расчета давления на крепь сопряжений выработок 111
5.4.4 Алгоритм расчета допускаемых нагрузок на крепь сопряжений выработок 114
5.4.5 Алгоритм расчета эксплуатационных параметров крепей сопряжений 116
Выводы 124
Заключение 125
Список литературы 127
Приложения 139
- Анализ производственного опыта проведения и крепления сопряжений и пересечений горных выработок
- Исследование влияния повышенного горного давления на геомеханические параметры демонтажных камер
- Технология расширения монтажной камеры с помощью очистного комбайна и одновременным монтажом секций механизированного комплекса
- Обоснование концепции и принципов обоснования параметров технологии проведения и поддержания горных выработок в структуре равнопрочной подсистемы «Технологиякрепьгеомассив» .
Введение к работе
Актуальность работы. В связи с интенсификацией технологических процессов на угольных шахтах, ростом нагрузок на очистные забои и темпов подвигания очистных и подготовительных забоев на угольных шахтах для обеспечения комфортных и безопасных условий труда возникла необходимость увеличения площади поперечного сечения горных выработок и расширения их функций. Наиболее распространёнными широкопролетными выработками на угольных шахтах являются монтажные и демонтажные камеры, сопряжения и пересечения горных выработок, камеры водоотлива, дизелевозные депо, камеры перегруза горной массы в конвейерных выработках и др.
Технологии проведения, методики расчёта параметров крепи подготовительных и выемочных выработок, способы и средства их крепления разработаны ведущими отечественными и зарубежными учеными и практиками горного производства. На основе результатов этих исследований созданы и широко используются на шахтах России и за рубежом методические рекомендации, типовые паспорта проведения и крепления.
Попытки применить разработанные нормативные документы и технологии проведения и поддержания камер и сопряжений горных выработок пока не привели к положительным результатам. Это обусловлено тем, что темпы проведения выработок из-за необходимости управления повышенным горным давлением снижаются в 3-5 раз, для обеспечения устойчивости пород применяются сложные конструкции крепи разных типов, снижается эксплуатационная надёжность, что приводит к повышению стоимости и сложности проведения и поддержания широкопролётных выработок.
Под повышенным горным давлением понимают не только высокий коэффициент концентрации вертикальных напряжений, но и отклонение на отдельных участках шахтного поля горизонтальных сил от боковых гравитационных.
Так как широкопролетные выработки, в том числе камеры, являются сложными инженерными сооружениями, то целесообразно использовать теоретические основы создания равнопрочной подсистемы, включающей элементы системы «технология проведения широкопролетных выработок и их сопряжений крепь горный массив», далее по тексту сокращённо - подсистема «технологиякрепьгеомассив».
Следовательно, актуальными являются исследования, необходимые для обоснования параметров технологий проведения и поддержания камер и сопряжений горных выработок, обеспечения их эксплуатационной надёжности при интенсивной отработке угольных пластов высокопроизводительными комплексно-механизированными забоями в условиях повышенного горного давления.
В этой связи актуальной научно-практической задачей является обоснование параметров технологии проведения и поддержания широкопролетных выработок с управлением повышенным горным давлением в выемочном участке посредством совершенствования способов и схем их проведения, создания и внедрения методики расчёта параметров равнопрочной подсистемы «технологиякрепьгеомассив».
Целью работы является уточнение закономерностей распределения напряжений, деформаций и смещений пород в окрестности широкопролётных выработок с учётом влияния повышенного горного давления для обоснования параметров технологии проведения и повышения эксплуатационной надёжности камер и сопряжений горных выработок, обеспечивающих эффективную отработку угольных пластов.
Идея работы состоит в повышении эксплуатационной надёжности камер и сопряжений горных выработок посредством использования критерия равнопрочности подсистемы «технологиякрепьгеомассив» и выявленных закономерностей взаимодействия технологии проведения и крепи выработок с углепородным массивом в условиях повышенного горного давления.
Научные положения, выносимые на защиту
1. Адаптивность технологии проведения и крепления широкопролётных выработок к горно-геологическим условиям углепородного массива обеспечивается соответствием альтернативных вариантов технологии типопредставительным технологическим схемам, работоспособное состояние которых поэтапно оценивается и совершенствуется на практике в пределах требований действующих нормативных документов.
2. Интенсивность проведения, эффективность крепления и эксплуатационная надёжность монтажных и демонтажных камер и сопряжений горных выработок повышается при использовании в качестве постоянной крепи в расширяемой части камер секций очистной механизированной крепи и выемки угольного пласта в пределах выработки по камерно-столбовой системе разработки.
3. Реализация выявленной закономерности асимметричного относительно оси одиночной выработки распределения смещений и напряжений в зонах повышенного горного давления и использование зависимости коэффициента концентрации вертикальных напряжений от её ширины обусловливают выбор оптимальной ассиметричной схемы многоуровневой установки анкеров в кровле и боках выработки.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- развиты теоретические основы равнопрочности подсистемы «технологиякрепьгеомассив», отличающиеся технологией армирования анкерами пород, обеспечивающей перенос области запредельного их деформирования (на диаграмме «напряжения-деформация») в допредельную область с ограничениями по величинам предельных относительных деформаций на границе свода естественного равновесия;
- обоснованы адаптивные к условиям повышенного горного давления технологии проведения и крепления широкопролётных выработок, отличающиеся использованием в качестве постоянной крепи в монтажных и демонтажных камерах секций очистной механизированной крепи и выемкой угольного пласта в пределах выработки по камерно-столбовой системе разработки;
- предложен алгоритм развития технологии проведения и поддержания подземных горных выработок, отличающийся критерием соответствия альтернативных вариантов технологии типопредставительным технологическим схемам, работоспособное состояние которых поэтапно оценивается и совершенствуется на практике в пределах требований действующих нормативных документов;
- выявлена закономерность асимметричного относительно оси выработки распределения смещений и напряжений в зонах повышенного горного давления и обоснована зависимость коэффициента концентрации вертикальных напряжений от ширины выработки;
- разработана методика прогнозирования параметров технологии проведения и эксплуатационной надёжности камер и сопряжений горных выработок в условиях повышенного горного давления, отличающаяся настройкой алгоритма расчёта по результатам натурных измерений и численного моделирования в выработках-аналогах параметров свода естественного равновесия, коэффициента концентрации напряжений, предельных относительных деформаций пород.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются:
- представительным объёмом шахтных исследований взаимодействия элементов крепи и вмещающих камеры и сопряжения выработок пород на шахтах Восточного и Южного Кузбасса: 9 шахт СУЭК, 125 экспертных заключений паспортов проведения и крепления широкопролетных выработок;
- результатами математического моделирования численным методом конечных элементов геомеханических процессов при взаимодействии углепородного массива и горных выработок шириной 5-16 м;
- результатами массовых натурных исследований для обоснования типопредставительных технологических схем проведения пилотной выработки и расширения монтажных камер до проектного сечения, формирования демонтажных камер с использованием в качестве несущей опоры секций механизированной крепи: в течение последних 5 лет исследования проведены в 12 широкопролетных выработках;
- внедрением методики прогнозирования параметров равнопрочной подсистемы «технологиякрепьгеомассив» при разработке проектов и паспортов проведении и крепления камер и сопряжений горных выработок в условиях повышенного горного давления в углепородном массиве.
Научное значение работы состоит в выявлении закономерностей взаимодействия элементов равнопрочной подсистемы «технология крепь геомассив» в условиях неравномерного повышенного горного давления, что является теоретической основой для совершенствования безопасной и эффективной технологии проведения и повышения эксплуатационной надёжности камер и сопряжений горных выработок.
Практическое значение заключается в возможности вскрытия, подготовки и отработки шахтных полей посредством выбора технологии проведения и поддержания горных выработок с оптимальной планировкой в выемочных полях монтажных и демонтажных камер и сопряжений горных выработок.
Реализация научных результатов. Результаты исследований использованы при разработке проектной документации: «Технологические схемы монтажа и демонтажа механизированного комплекса МКТ ОАО «Междуреченская угольная компания-96», «Корректировка «Проекта отработки пласта 70 шахты «Талдинская-Западная-2» ОАО ИК «Соколовская» в новых лицензионных границах», «Продление консервации участка «Сычевский» шахты «Полысаевская» ОАО «СУЭК-Кузбасс», «Проект крепи усиления сопряжений очистного забоя 52-07 с вентиляционным и конвейерным штреком пласта 52 «Шахты №7» Шахтоуправления «Котинское» ОАО «СУЭК-Кузбасс». Обоснованы и внедрены параметры проведения и крепления широкопролетных выработок на шахтах «Талдинская-Западная-2», «Полысаевская», шахте №7 и др. в Кузбассе.
Результаты исследований включены в следующие нормативные и методические документы:«Методика расчёта и выбора параметров крепи на сопряжениях горных выработок при одинарной и парной подготовке выемочных столбов» (СПб: ВНИМИ, 2004. – 84с.); «Методическое руководство по выбору геомеханических параметров технологии разработки угольных пластов короткими забоями» (СПб, 2003. – 55с. (М-во энергетики РФ. РАН. ФГУП «Гос. НИИ горн. геомех. и маркшейд. дела – МНЦ «ВНИМИ»); «Методическое руководство по применению анкерной крепи на шахтах ЗАО «УК «Южкузбассуголь» (Новокузнецк: ЗАО «УК «Южкузбассуголь», 2002.- 47с.).
Апробация работы. Основные научные результаты и практические выводы диссертации докладывались и получили одобрение на Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» («Уголь России и Майнинг», Новокузнецк, 2006-2012 гг.), научном симпозиуме, проводимом в Московском государственном горном институте в рамках «Недели горняка» (Москва, 2013г.), технических советах ЗАО «Распадская угольная компания», ОАО «ОУК «Южкузбассуголь», ОАО «СУЭК-Кузбасс» и др.
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 14 научных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, и 2 патента на полезную модель.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 151 страницу основного текста, в том числе список литературы из 114 наименований, 3 таблицы и 41 рисунок, 3 приложения.
Автор выражает благодарность докторам технических наук, профессорам Ю.Н. Кузнецову и В.В. Мельнику за ценные методические рекомендации и практические советы при подготовке диссертации.
Анализ производственного опыта проведения и крепления сопряжений и пересечений горных выработок
На угольных шахтах проводятся и эксплуатируются сопряжения и пересечения различных выработок, в том числе горизонтальных и наклонных: выработок околоствольных дворов, квершлагов, бремсбергов и штолен со штреками, монтажных камер со штреками, штреков между собой и т.д. Так, например, при оконтуривании одного выемочного участка одиночными выработками на шахте «Юбилейная» в условиях пласта 25 проведено и закреплено 12 сопряжений, а при оконтуривании спаренными выработками – необходимо более 20 сопряжений, т.е. 6-15 и более сопряжений на километр проводимых выработок или 12-30 сопряжений на 1 км2 выемочного поля, более 80% которых подвергаются влиянию очистных работ.
По форме в плане сопряжения горизонтальных и наклонных выработок подразделяются на тупоугольные и прямоугольные примыкания, прямоугольные и остроугольные пересечения, прямоугольные и остроугольные ответвления, разветвления под углом и по кривым и др. Некоторые из них приведены на рисунке 1.4.
Для установления характерных типов сопряжений подготовительных выработок проведен анализ планов горных работ, паспортов крепления выработок шахт ОАО «ОУК «Южкузбассуголь», ОАО «СУЭК-Кузбасс» типовых и прогрессивных технологических схем разработки угольных пластов [4, 5], нормативных и литературных источников [6-14, 29]. В результате анализа выявлено, что основными типами сопряжений являются прямые и остроугольные пересечения и ответвления, прямоугольное, остроугольное и тупоугольное примыкание, сопряжения выработок с камерой (нишей). Другие типы сопряжений, такие как ответвление по кривой, двустороннее ответвление, двустороннее ответвление с разносом выработок, соединения двух выработок в одну, сопряжения трех выработок, а также различные ушире-ния применяются значительно реже. II
а) прямоугольное пересечение, закрепленное металлической рамной крепью;
б) остроугольное ответвление, закрепленное анкерной крепью; в) прямоугольное
примыкание, закрепленное комбинированной крепью (рамная в сочетании
с анкерной) Площадь зоны сопряжения выработок зависит от радиуса закругления или от угла примыкания, пересечения или разветвления. Наибольшую площадь обнажения кровли имеют косые пересечения и двусторонние ответвления. Поэтому для уменьшения трудностей при креплении и повышения эксплуатационной наджности необходимо проектировать, например, пересечение с двумя разнесенными ответвлениями вместо двустороннего, т.е. стремиться к наименьшей площади обнажения пород кровли на сопряжении.
Основными элементами крепи сопряжений подготовительных выработок являются:
1) Камерная рама, состоящая из двух стоек и верхняка. В качестве стоек используются трубы диаметром более 200 мм, балки или железобетонные стенки. Верхняк изготавливается из двутавровых балок.
2) Балки перекрытия, которые одним концом укладываются на камерную раму, а другим - на рамную крепь или вторую камерную раму.
3) Межрамные ограждения в виде затяжек различных конструкций, решеток и др.
4) Анкерная крепь с комбинацией анкеров первого и второго уровней с использованием канатных анкеров.
Проведение подготовительных выработок и их сопряжений на угольных шахтах осуществляется, как правило, тремя способами: комбайновым, буровзрывным и смешанным (одна из сопрягающихся выработок проводится комбайновым способом, а вторая при помощи буровзрывных работ) [15-19].
Способы проведения существенно влияют на устойчивость выработок и изменение свойств вмещающих горных пород, такие как трещиноватость, обрушаемость и др. При комбайновой выемке прочность пород и угля в окрестности сопряжения выработок почти не изменяется под влиянием механических разрушающих органов комбайна, по сравнению с прочностью в нетронутом массиве. Основные изменения в процессе и после проведения выработки физических и механических свойств угля и пород происходят при перераспределении напряжений в углепородном массиве, упруго-пластических деформациях и дезинтеграции пород. При буровзрывном способе проведения отделение горной массы от массива осуществляется за счет направленного взрывания [15-18], что влечет значительное изменение физических свойств вмещающих пород (снижение монолитности, ослабление контактов, растрескивание и др.). При использовании смешанного способа проведения, изменение физических свойств вмещающих пород зависит от параметров буровзрывных работ (БВР).
Изменение физических и механических свойств пород существенно влияет на устойчивость горных выработок и их сопряжений. Чем больше нарушен массив в окрестности выработки, тем меньше устойчивость пород и, тем больше объем удельных затрат на возведение крепи и поддержание выработки.
Пройденные комбайном выработки и сопряжения сохраняют свою устойчивость в период эксплуатации при использовании паспортов крепления, разработанных по действующим нормативным документам.
На угольных шахтах Кузбасса комбайновый способ проведения выработок является основным – более 80% от общей протяженности горных выработок и их сопряжений.
В последние годы для крепления сопряжений горных выработок широко применяется в благоприятных горно-геологических условиях анкерная крепь. На рисунке 1.5 приведена схема проведения и крепления с путевого уклона пласта 50 на конвейерный штрек 50-12.
Разделка сопряжения начинается с проведения ниши в одном из боков существующей или вновь проведенной выработки, т.е. частично разбирается существующая крепь, устанавливается камерная рама, выпаливается или вырубается ниша для заезда или поворота комбайна, т.е. увеличивается ширина выработки. Работы производятся вручную, зачастую, с использованием БВР, поэтому, очень высока вероятность обрушения пород кровли, т.к. основная крепь частично ослаблена или ее параметры могут оказаться недостаточные для удержания кровли на сопряжении, а временная крепь может иметь недостаточную несущую способность. Следовательно, работы являются очень трудоемкими и травмоопасными, соответственно повышается риск возникновения аварийной ситуации.
Даже в благоприятных горно-геологических условиях затраты на проведение сопряжений значительно больше по отношению к пластовым выемочным выработкам. Ведение горных работ в сложных природных и горнотехнических условиях приводит к интенсификации геомеханических процессов. Геомеханическая ситуация существенно усложняется, когда выработки эксплуатируются в зонах влияния очистного забоя, геологических нарушений, повышенного горного давления, геотектоническом поле напряжений, в слабых и пучащих породах или при совокупном влиянии указанных факторов.
Исследование влияния повышенного горного давления на геомеханические параметры демонтажных камер
С целью выбора адаптивных к геотектоническим полям напряжений технологий проведения и поддержания широких выработок разработана методика и проведено математическое моделирование различных вариантов расположения монтажных и демонтажных камер, диагональных печей, сопряжений горных выработок и обоснованы направления совершенствования технологических схем проведения и поддержания этих выработок.
Расстояние от оси демонтажной камеры,м Рисунок 2.18 – Изолинии изменения коэффициента концентрации вертикальных напряжений в гравитационном (сплошные красные линии, коэффициент бокового давления =0,44) и аномальных горизонтальных силах Рг (пунктирные чрные линии, коэффициент бокового давления =1,07); ширина камеры 5 м, ширина целика 5,5 м, мощность пласта 2,5 м На рисунке 2.18 приведн один из вариантов распределения коэффициентов концентрации вертикальных напряжений при формировании демонтажной камеры при следующих условиях: глубина разработки 600 м, предел прочности пород кровли 35-55 МПа, мощность пласта 1,75 м. Как следует из рисунка 2.18 максимальные значения коэффициента концентрации вертикальных напряжений формируются в угольном целике и зависят от величины коэффициента бокового давления, то есть в зонах повышенного горного давления следует ожидать большие вертикальные напряжения по сравнению с аналогичными параметрами в гравитационном поле напряжений (рисунок 2.19). Согласно графикам рисунка 2.19 коэффициент концентрации вертикальных напряжений в угольном целике увеличивается почти пропорционально коэффициенту бокового давления. Рисунок 2.19 - Графики распределения коэффициента концентрации вертикальных напряжений в угольном целике между очистным забоем и демонтажной камерой (см. рисунок 2.18), – коэффициент бокового давления в нетронутом массиве, =0,443 – гравитационное поле напряжений Основными геомеханическими параметрами, определяющими состояние угольного пласта и вмещающих пород в окрестности очистного забоя и демонтажной камеры, являются горизонтальные и вертикальные смещения (рисунок 2.20) и высота свода обрушения пород кровли. Изолинии изменения вертикальных (а) и горизонтальных (б) (мм) смещений в гравитационном поле напряжений (сплошные красные линии, коэффициент бокового давления =0,44) и в зоне повышенного горного давления (пунктирные чрные линии, коэффициент бокового давления =1,07); ширина камеры 5 м, ширина целика 5,5 м, мощность пласта 2,5 м; Рг – горизонтальные силы Приведнные на рисунке 2.20 а вертикальные смещения при аномальном давлении горизонтальных сил в 1,5-2,0 раза больше посравнению со смещениями в гравитационном поле напряжений. Наиболее интенсивно оседают породы кровли над секциями механизированной крепи и выработанным пространством. Вектор горизонтальных смещений (рисунок 2.20 б) направлен в сторону де-монтажной камеры и краевой части пласта. Это связано с изгибом зависающих над выработанным пространством подработанных пород кровли и опорой их на угольный целик, краевую часть пласта и частично на секции крепи.
Высота свода естественного равновесия пород кровли в зонах повышенного горного давления при коэффициенте бокового давления =1,07 над демонтажной камерой достигает 5 м, над секциями механизированной крепи – 3 м. В гравитационном поле напряжений при коэффициенте бокового давления =0,44 эти параметры соответственно равны 3 и 1,2 м.
По результатам численного моделирования при разных коэффициентах бокового давления установлено следующее: при горизонтальных напряжениях, превышающих вертикальные, устойчивость выработок выше при расположении их продольной оси параллельно вектору максимального горизонтального напряжения 1Г с отклонениями ±30о в зависимости от интенсивности горизонтальных напряжений и прочности угля. При угле, близком к 90о, горизонтальные смещения боков выработок увеличиваются пропорционально отношению 1Г/Н, где - коэффициент бокового давления в гравитационном поле напряжений, - плотность пород, Н – глубина залегания пласта. Соответственно, предлагается выемочные выработки систем разработки длинными столбами располагать вдоль оси максимальных главных горизонтальных напряжений. В этом случае необходимо увеличивать плотность и несущую способность крепи боков монтажных камер, рекомендованную Инструкциями ВНИМИ, пропорционально отношению 1Г/Н. Применять дополнительные мероприятия по усилению плотности и несущей способности краевой части пласта в очистном забое и демонтажной камере не требуется, так как при движении очистного забоя за счт формирования очистного выработанного пространства происходит разгрузка краевой части пласта. Выводы
По результатам исследований процессов взаимодействия элементов равнопрочной подсистемы «Технологиякрепьгеомассив» в окрестности широких горных выработок, пройденных в гравитационном и полях напряжений и в зонах аномальных горизонтальных сил получены следующие основные результаты и обоснованы выводы:
1) Разработан алгоритм расчта напряжений и деформаций пород в окрестности широкопролтных выработок, пройденных в геомассивах с повышенным горным давлением и гравитационным природными полями напряжений, отличающийся использованием коэффициента структурного ослабления, паспорта прочности горных пород, положение предельной огибающей кругов Мора которого целенаправленно изменяются при упрочнении пород в соответствии с обоснованным техногенным критерием равнопрочности подсистемы «технологиякрепьгеомассив».
2) Адаптирован алгоритм и программное обеспечение комплекса компьютерных программ для численного моделирования методом конечных элементов геомеханического состояния углепородного массива в окрестности выработок разной ширины, пройденных в горном массиве с гравитационным полем напряжений и в зонах повышенного горного давления.
3) Выявлены следующие основные закономерности и зависимости распределения напряжений, деформаций и смещений пород в окрестности широких выработок с учтом влияния гравитационного поля напряжений и повышенного горного давления:
- в зонах повышенного горного давления при аномальных горизонтальных силах форма изолиний асимметричная относительно оси выработки, что связано с направлением вектора природных горизонтальных сил;
- установлена эмпирическая зависимость Квр=1+0,1В, где - максимальный коэффициент концентрации вертикальных напряжений в боку выработки,проведнной в гравитационном природном поле напряжений; В - ширина выработки, м; - подтверждн рост коэффициента концентрации вертикальных напряжений с увеличением ширины выработки в гравитационном поле напряжений;
- при увеличении коэффициента бокового давления горизонтальные напряжения в боках выработки увеличиваются почти пропорционально этому коэффициенту;
- по результатам численного моделирования предложена формула расчта отношения величин смещений пород кровли при разной ширине выработки.
4) При формировании демонтажной камеры максимальные значения коэффициента концентрации вертикальных напряжений формируются в угольном целике между камерой и очистным забоем и зависят от величины коэффициента бокового давления. Коэффициент концентрации вертикальных напряжений в угольном целике увеличивается почти пропорционально коэффициенту бокового давления в природном поле напряжений.
5) Предлагается выемочные выработки систем разработки длинными столбами располагать вдоль оси максимальных главных горизонтальных напряжений. В этом случае необходимо увеличивать плотность и несущую способность крепи боков монтажных камер, рекомендованную Инструкциями ВНИМИ, пропорционально отношению 1Г/Н. Применять дополнительные мероприятия по усилению плотности и несущей способности краевой части пласта в очистном забое и демонтажной камере не требуется, так как при движении очистного забоя за счт формирования очистного выработанного пространства происходит разгрузка краевой части пласта.
Технология расширения монтажной камеры с помощью очистного комбайна и одновременным монтажом секций механизированного комплекса
Сущность рассматриваемого варианта технологии расширения монтажной камеры состоит в одновременной выемке полосами угля очистным комбайном и установкой секций механизированной крепи (рисунок 3.3). Горные работы осуществляются в следующей последовательности.
В качестве примера на рисунке 3.3 предлагается вариант проведения монтажной камеры проходческим комбайном КП-21 на ширину 4,3 м и высоту 3,6 м (общим сечением не менее 14,8 м2). На следующем этапе осуществляется расширение камеры очистным комбайном К-500Ю до проектных размеров (ширина – 7,5 м, высота – 2,5 м, сечение расширяемой части – 8,5 м2). После расширения камеры предусматривается монтаж секций крепи МКЮ-4У-18/38, который осуществляется с распором крепи в кровлю и почву на вынимаемую мощность пласта – 2,5 м.
До начала ведения работ по расширению монтажной камеры, предусматривается проведение проходческим комбайном участка монтажной камеры (ниши), протяженностью 12 м, на полное сечение.
После монтажа лавного конвейера и очистного комбайна осуществляется выемка угля на длину заходки 5…6 м в направлении от верхнего сопряжения вниз, затем комбайн отгоняется в первоначальное положение, освобождая место для крепления кровли. После отбойки угля предусматривается установка временной крепи, доставка материалов вручную к месту установки постоянной крепи. Далее осуществляется крепление кровли постоянной анкерной крепью.
После расширения и крепления монтажной камеры на всю расширяемую длину, на ширину захвата комбайна - 0,8 м, в ремонтно-подготовительную смену осуществляется передвижка лавного конвейера и обслуживание оборудования. Шаг передвижки равен ширине захвата комбайна. Первоначально осуществляется передвижка привода на верхнем сопряжении и части ставов лавного конвейера, общей протяженностью передвигаемой части 12 м, на участке, пройденном на полное сечение камеры. После этого осуществляется перегон очистного комбайна с нижнего сопряжения на верхнее с одновременной зачисткой почвы под лавный конвейер и передвижкой протяженной части конвейера и его привода, расположенного на нижнем сопряжении.
Для исключения подрезки нижним шнеком почвы и уменьшения нагрузки на забойный конвейер, а также исходя из длины комбайна, диаметра и расстояния между шнеками, выемка угля производится на всю высоту монтажной камеры передним шнеком на длину заходки 5…6 м. Кроме того, длина заходки обусловлена размером временной крепи (длиной подхватывающего бруса) и шагом установки анкеров. Ширина выемки равна ширине шнека – 0,8 м. Очистной комбайн работает в режиме местного или дистанционного (радио) управления, система управления, кроме того, обеспечивает диагностику работы комбайна.
После выемки угля комбайном на длину заходки 5…6 м производится перемещение комбайна свободным ходом назад в начальное положение.
Крепление расширяемой части монтажной камеры предусматривается осуществлять оборудованием, аналогичным проходческому. В качестве временной крепи предусматривается использовать гидравлические стойки типа ГСК и брус, которые применяются в призабойной крепи очистных забоев пологих пластов при любой системе разработки, предусматривающей извлечение крепи, и при любом способе управления кровлей.
Транспортировка отбитого и погружнного угля шнеками комбайна производится лавным конвейером с перегрузкой на нижнем сопряжении на скребковый конвейер, который, в свою очередь, осуществляет погрузку горной массы на штрековый перегружатель и далее, через дробилку, на штрековый конвейер.
Передвижка приводной части лавного конвейера производится за счет гидродомкратов, закрепленных у основания конвейера и в почву монтажной камеры.
Продолжительность одного цикла по отбойке угля очистным комбайном и креплением кровли выработки по длине вынимаемой полосы 5…6 м составит 3 часа. Всего за сутки будет выполнено 6 циклов или пройдено 30…36 м камеры. Расширение монтажной камеры на одну ленты зависит от длины камеры. Длительность расширения монтажной камеры очистным комбайном составит 23 суток.
В качестве временной крепи предусматривается использовать гидравлические стойки типа ГСК и брус, которые применяются в призабойной крепи очистных забоев пологих пластов при любой системе разработки, предусматривающей извлечение крепи, и при любом способе управления кровли.
В таблице 3.1 приведена сравнительная оценка расхода материалов при применении технологий проведения, расширения и монтажа механизированного комплекса с использованием проходческого или очистного комбайнов.
Таким образом, по результатам сравнения данных таблицы 3.1 следует, что вариант с применением проходческого комбайна и одновременным монтажом секций механизированной крепи осуществляется при меньшем расходе материалов и является экономически выгодным по этой статье расходов.
Обоснование концепции и принципов обоснования параметров технологии проведения и поддержания горных выработок в структуре равнопрочной подсистемы «Технологиякрепьгеомассив» .
Под концепцией следует понимать ведущий замысел, систему взглядов на явления, способ их рассмотрения [83]. Принцип трактуется как исходное положение в науке, основа устройства или действия.
Применительно к научно-практическим задачам, решаемым в настоящей работе, под концепцией понимается научная идея обоснования с использованием комплексного критерия и единого алгоритма оптимизации параметров элементов равнопрочной подсистемы «Технологиякрепьгеомассив». Научная идея реализуется посредством искусственного (техногенного) упрочнения (армировании) пород для обеспечения предела их прочности выше максимальных касательных напряжений, возникающих под влиянием напряжнно-деформированного состояния геомассива в подсистеме «Технологиякрепьгеомассив»
Принцип воспринимается как правило реализации концепции. В настоящей работе для реализации концепции обоснованы следующие принципы (рисунок 4.1):
1) углепородный массивтехнология проведения способы и средства поддержания выработок рассматриваются как взаимодействующие элементы единой подсистемы «Технологиякрепьгеомассив»;
2) интегральным (комплексным) критерием эффективности подсистемы являются следующие локальные критерии: минимум трудовых и материальных затрат при проведении и поддержании широких выработок и их сопряжений, обеспечение промышленной безопасности и комфортных условий труда при строительстве и эксплуатации выработок;
3) равнопрочность элементов подсистемы достигается оптимизацией параметров технологии проведения и поддержания выработок посредством искусственного (техногенного) упрочнения, в том числе армировании анкерами пород для обеспечения предела их прочности выше максимальных касательных напряжений, возникающих под влиянием напряжнно-деформированного состояния геомассива в подсистеме «Технологиякрепьгеомассив»;
4) обеспечение эксплуатационной наджности в пределах приемлемого риска возникновения аварийной ситуации.
Для реализации первого принципа при исследовании взаимодействующих элементов единой подсистемы «Технологиякрепьгеомассив» разработана методика синтеза традиционных и новых технологических и технических решений.
Методика включает поэтапное выполнение следующих процессов:
- анализ горно-геологических и горнотехнических условий проведения и под держания выработок, декомпозиция традиционных технологий проведения горных выработок, выбор альтернативных вариантов типов и конструкций крепи;
- синтез альтернативных вариантов подсистемы «Технологиякрепь
геомассив»;
- имитационное моделирование и выбор оптимального варианта технологии проведения и поддержания широкопролтных выработок и их сопряжений при раз работке проектной документации;
Анализ риска возникновения предаварийной ситуации и сравнение его с приемлемым риском.
Равнопрочность подсистемы «Технологиякрепьгеомассив» достигается посредством одновременной реализации указанных принципов [45]. Существующие методы оптимизации параметров элементов сложных систем, в том числе в горном деле, в последнее десятилетие, кроме расчтов на прочность конструктивных элементов систем разработки и технологических схем проведения подготовительных выработок, получили развитие в части оценки экономической эффективности, промышленной безопасности и эксплуатационной наджности. Поэтому необходимо равнопрочность подсистемы оценивать по четырм критериям, то есть минимум трудовых и материальных затрат, обеспечение промышленной безопасности и комфортных условий труда при проведении и поддержании широкопролтных выработок и оценка их эксплуатационной наджности.
В традиционной постановке равнопрочность рассматривается как обеспечение прочности конструкций (элементов) технологической схемы проведения и поддержания выработок. Элементом новизны в настоящей работе является изменение понятия равнопрочности с дополнением оценок эффективности технологической схемы по экономическому критерию, промышленной безопасности и эксплуатационной наджности.
Таким образом, ставится научная задача многокритериальной оценки эффективности функционирования подсистемы «Технологиякрепьгеомассив».
Общая структурная схема реализации механизма прогнозирования равнопроч-ности подсистемы «Технологиякрепьгеомассив» в режиме имитационного моделирования приведена на рисунке 4.2.
Прогнозирование параметров и состояния подсистемы «Техноло гиякрепьгеомассив» осуществляется в соответствии с общей методологией управления сложными системами [46, 47]. На угольных шахтах функционирование подсистемы характеризуется следующими признаками и факторами:
- изменением во времени и пространстве состояния и положения элементов системы: состояния массива горных пород под влиянием горного давления, дегазации, осушения; положения очистных и подготовительных забоев, погашаемых выработок и др.;
- наличием прямых и обратных управляющих связей при корректировке паспортов проведения и крепления выработок, изменении горно-геологических и горнотехнических условий, необходимости соблюдения требований нормативных документов по промышленной безопасности и охране труда;
- большим разнообразием вариантов внутренних и внешних условий, связанных с организацией производства, влияние элементов других подсистем, например очистного выработанного пространства, зон повышенного горного давления, угольных целиков на сближенных пластах и др.;
