Введение к работе
Значительная доля угля в Российской Федерации (около 30%) добывается с пластов мощностью до 2,0 м, залегающих в породах средней и высокой крепости по шкале проф. Протодъяконова (f = 415). К числу предприятий, работающих в данных условиях, относятся все шахты Российского Донбасса, а также ряд угледобывающих предприятий Кузбасса и Печерского бассейна.
Практический опыт отработки пластов небольшой мощности показывает, что одной из важнейших задач является охрана одиночных подготовительных выработок, которая должна обеспечивать их безремонтную эксплуатацию в течение всего срока службы.
В Советском Союзе практика охраны одиночных выработок, пройденных по одиночным не опасным по горным ударам и выбросам пластам, во многих случаях основывалось на применении систем угольных целиков с обоснованными для конкретных горно-геологических условий размерами.
Данный способ имеет ряд существенных недостатков: большие потери полезного ископаемого; ограничение нагрузок на очистные забои факторами вентиляции, транспортирования угля и доставки материалов; существенные затраты на проведение и крепление нарезных выработок; издержки обслуживания сложной транспортной цепочки.
Отмеченных недостатков лишены бесцеликовые способы охраны, наиболее перспективным из которых является проведение выработки в нетронутом массиве с последующим её поддержанием искусственными охранными конструкциями на границе выработанного пространства для повторного использования. Применение этого способа позволяет практически вдвое снизить объём проведения подготовительных выработок, повысить концентрацию горных работ и уровень нагрузок на очистные забои, обеспечить эффективное проветривание лав за счёт использования прямоточных схем вентиляции, в том числе с подсвежением исходящей струи, упростить цепочку транспортирования угля и материалов.
Вместе с тем, обеспечение эксплуатационного состояния подготовительной выработки при данном способе охраны часто является проблематичным. Влияние опорного давления двух лав, длительное поддержание на границе с выработанным пространством может приводить к большим смещениям породного контура и его разрушению, что вызывает необходимость проведения ремонтно-восстановительных работ, связанных со значительными материальными и трудовыми затратами.
Современный опыт эксплуатации шахт Российского Донбасса (ш. «им. М. Чиха», ш. «Обуховская», ш. «Дальняя», ш. «Шерловская», ш. «Ростовская», ш. «Замчаловская», ш. «Гуковская» и др.) показывает, что при устойчивых породах кровли наиболее эффективной и распространенной является прямоугольная (трапециевидная с наклонной кровлей и вертикальными боками) форма поперечного сечения повторно используемых выработок с нижней подрывкой вмещающих пласт пород и креплением сталеполимерными анкерами. В то же время, одним из наиболее сложных аспектов эксплуатации таких выработок является взаимодействие охранных конструкций с породами бермы (породы бока выработки под отработанным угольным пластом), которая может скалываться и разрушаться на большом протяжении выработок даже при высокой прочности боковых пород. Это в свою очередь приводит к потере работоспособности охранных конструкций и снижению устойчивости всех пород в окрестности повторно используемой выработки. При этом наметившаяся тенденция перехода на охранные конструкции высокой несущей способности усугубляет данную ситуацию и вызывает необходимость дальнейшего совершенствования технических и технологических решений по креплению и поддержанию повторно используемых выработок.
Решению этой задачи и посвящена настоящая работа.
Диссертация выполнена в рамках темы НИР 17.05 «Исследование геомеханических процессов подземного пространства, влияние этих процессов на сопутствующие среды и земную поверхность», выполняемой в Шахтинском институте ЮРГТУ (НПИ) по заданию Федерального агентства по образованию и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (государственный контракт 14.740.11.0427).
Цель работы: обоснование технических и технологических решений по повышению устойчивости повторно используемых выработок, сооружаемых с подрывкой почвы и поддерживаемых искусственными охранными конструкциями, что позволит увеличить безопасность работ и снизить эксплуатационные затраты на угольных шахтах.
Идея работы: повышение устойчивости и безремонтная эксплуатация повторно используемых выработок обеспечивается увеличением жесткости и несущей способности пород бермы за счет применения комбинированных многорядных схем анкерного упрочнения, параметры которых определяются в зависимости как от горно-геологических факторов при учете неоднородности и трещиноватости пород бермы, так и от принятого типа и схемы установки охранных конструкций.
Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований, включающий: шахтные исследования по изучению физико-механических свойств и параметров трещиноватости пород, измерение смещений пород на контуре повторно используемых выработок, измерение растягивающих усилий в анкерах, установленных в породы бермы выработок; численное моделирование методом конечных элементов объемной задачи взаимодействия системы «кровля пласта – охранные конструкции – породы бермы»; статистический анализ; опытно-промышленную проверку полученных результатов.
Защищаемые научные положения:
-
Переход с однорядной горизонтальной на двухрядную схему анкерного крепления боков повторно используемой выработки с углами наклона анкеров верхнего и нижнего рядов к горизонтали соответственно 15 - 250 и 30 - 350 позволяет повысить жесткость бермы на 25 - 30% и обеспечить ее устойчивость при взаимодействии с охранными конструкциями высокой несущей способности (более 4000 кН).
-
Максимальные значения напряжений в породах бермы повторно используемой выработки возрастают по параболической зависимости при увеличении жесткости охранных конструкций и линейно снижаются при увеличении расстояния установки ближнего ряда охранных конструкций до бокового контура выработки.
-
Совместное влияние охранных конструкций, маломощных угольных пропластков и систем вертикальных трещин приводит к образованию в породах бермы зон концентраций напряжений, при этом их максимальные значения достигаются при расположении пропластка в породах бермы на расстоянии 0,8 - 1,2 м от почвы пласта, а вертикальных трещин – на участке шириной 0,2 - 0,3 м за проекцией задней грани охранной конструкции.
Новые научные результаты, полученные лично соискателем:
-
Выявлены взаимосвязи между плотностью анкерной крепи, установленной в породах бермы, натяжением анкеров, углами их наклона, горизонтальными смещениями пород бермы и величиной сближения кровли и почвы пласта вблизи охранной конструкции в повторно используемых выработках.
-
Получено выражение для определения коэффициента упрочнения пород бермы в зоне влияния охранных конструкций, учитывающее интенсивность горного давления, прочностные свойства пород, деформационные и геометрические параметры используемых охранных конструкций.
-
Установлены закономерности влияния на напряженно-деформированное состояние пород бермы повторно используемых выработок, взаимодействующих с охранными конструкциями, угольных пропластков малой мощности и систем вертикальных трещин, образующихся в процессе развития очистных работ.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием апробированных методов шахтных исследований и математического моделирования, высокими значениями коэффициентов корреляции полученных автором корреляционных зависимостей (не ниже 0,78), удовлетворительной сходимостью результатов, полученных в ходе шахтных исследований и численного моделирования (средние отклонения не превышают 15%), проектными проработками и успешным внедрением результатов диссертационного исследования.
Научное значение работы заключается в установлении закономерностей взаимодействия системы «кровля пласта – охранные конструкции – породы бермы» в повторно используемых выработках при изменении параметров ее основных элементов и различных схемах анкерного крепления.
Практическое значение работы:
получены выражения для определения растягивающих усилий в бермовых анкерах и нагрузок на анкерную крепь, а также коэффициента упрочнения пород бермовой части повторно используемых выработок, с помощью которых можно определять необходимые параметры анкерной крепи боков выработок;
выделено 5 категорий устойчивости пород бермы повторно используемых выработок, для которых разработаны схемы комбинированного анкерного крепления с обоснованными параметрами, обеспечивающими повышение устойчивости пород и снижение затрат при эксплуатации выработок.
Реализация работы. Основные результаты работы использованы шахтой «им. М. Чиха» при разработке паспортов крепления подготовительных штреков.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены на международных научных симпозиумах и конференциях: «Неделя горняка» (Москва, 2008 - 2010 гг.); «Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений» (ДонНТУ, 2008 г.); «Проблемы горного дела и экологии горного производства» (Восточно-Украинский национальный университет им. Даля, 2009 г.); «Перспективные технологии добычи и использования углей Донбасса» (ЮРГТУ(НПИ), 2009 г.); 56-59 научных конференциях Шахтинского института (филиала) Южно-Российского государственного технического университета (г. Шахты 2007 - 2010 гг.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 11 научных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников из 77 наименований и 1 приложения. Содержит 133 страницы машинописного текста, 42 рисунка и 10 таблиц.
