Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса 17
1.1. Условия работы комплексно-механизированных забоев при подземной добыче угля 17
1.2. Анализ критериев взаимодействия механизированной крепи с вмещающими породами 40
1.3. Анализ исследований взаимодействия механизированных крепей с боковыми породами в сложных горно-геологических условиях 51
1.4. Цель и задачи исследований 76
Выводы. 77
2. Оборудование и методики проведения исследований 79
2.1. Оборудование и методика проведения лабораторных исследований при плоскомасштабном моделировании 79
2.2. Оборудование и методика проведения шахтных исследований 87
2.3. Методика обработки результатов исследований и построения регрессионных зависимостей 104
2.4. Методика оценки напряжённо-деформированного состояния (НДС) конструкций и боковых пород вблизи опорных элементов по
2.5. Методика сравнительной оценки конкурирующих технических решений по нескольким критериям аддитивной функции полезности 122
Выводы 127
3. Оценка силовых параметров крепи при взаимодействии с трудно управляемыми кровлями 128
3.1. Лабораторные исследования влияния начального распора на характер взаимодействия крепи с трудноуправляемой кровлей.. 128
3;2. Шахтные исследования влияния начального распора и рабочего сопротивления на процесс взаимодействия: крепи с- трудноуправляемой кровлей. 158
3.3; Анализ результатов шахтных исследований и обоснование силовых параметров крепи. , 183
3.4. Обоснование основных схем взаимодействия крепи с,трудно управляемой кровлей . 197
3:5. Критерии и оценка эффективности взаимодействия крепи с кровлей при изменении силовых параметров. 200
Выводы 209
4. Оценка параметров крепи, влияющих на распределение сопротивления по ширине рабочего пространства 211
4.1. Оценка влияния геометрических и кинематических параметров верхняка на взаимодействие крепи с кровлей 211
4.2. Исследование взаимодействия элементов крепи с боковыми породами методом теории упругости (плоская деформация) 223
4.3. Исследование взаимодействия элементов крепи с породами кровли методом конечных элементов (упругая объёмная деформация) 262
4.4. Влияние параметров забойных консолей на распределение сопротивления по ширине призабойного пространства. 275
4.5. Разработка гидросистемы, обеспечивающей повышение контактной адаптивности верхнего строения крепи с кровлей 291
Выводы. 297
5. Оценка параметров крепи при взаимодействии оснований с неустойчивыми почвами 300
5.1. Анализ исследований процессов взаимодействия элементов системы "крепь - боковые породы" 300
5.2. Разработка модели взаимодействия основания крепи с размокаемыми почвами. 309
5.3. Исследование продольной модели взаимодействия оснований крепи с размокаемыми почвами. 318
5.4. Исследование поперечной модели взаимодействия оснований крепи с размокаемыми почвами. 330
5.5. Результаты моделирования взаимодействия основания крепи 1М88 с размокаемыми почвами. 338
5.6. Разработка новой конструкции основания и анализ его взаимодействия с почвой. 349
Выводы 359
6. Оценка динамической - нагруженности механизированной крепи в периоды резких осадок кровли. 361
6.1. Анализ характера взаимодействия крепи с труднообрушае-мыми породами в периоды резких осадок кровли 361
6.2. Разработка способа и устройств регистрации параметров на-гружения крепи при резких осадках крови. 375
6.3. Лабораторные исследования работоспособности разработанных приборов и определение их метрологических,характеристик 410
6.4. Шахтные испытания приборов резких осадок кровли 418
Выводы 423
7. Оценка параметров гидравлических стоек при различных видах нагружения .
7.1. Анализ работы предохранительного клапана ЭКП в периоды резких осадок кровли 425
7.2. Разработка технических предложений по повышению работоспособности гидростоек в периоды динамических нагружений 433
7.3: Критерии для сравнительной оценки конструкций гидростоек 439
7.4. Сравнительный анализ напряжённо-деформированного со стояния рабочих цилиндров гидростоек 444
Выводы 449
8. Эффективность от внедрения результатов исследований 450
8.1. Экономическая эффективность от использования гидросистемы повышения начального распора механизированной крепи 45
8.2. Реализация результатов исследований 454
Заключение 456
Список использованной литературы
- Анализ исследований взаимодействия механизированных крепей с боковыми породами в сложных горно-геологических условиях
- Методика обработки результатов исследований и построения регрессионных зависимостей
- Обоснование основных схем взаимодействия крепи с,трудно управляемой кровлей
- Исследование взаимодействия элементов крепи с боковыми породами методом теории упругости (плоская деформация)
Введение к работе
Актуальность работы. Одной из основных тенденций развития угольной промышленности Российской Федерации на современном этапе является ускоренная разработка и внедрение высокопроизводительных комплексов и агрегатов для добычи угля в сложных горно-геологических условиях.
Комплексы оборудования с механизированными крепями являются основным средством для достижения высоких технико-экономических показателей при подземной добыче угля.
Создание комплексов с механизированными крепями началось впервые в мире в нашей стране в конце 50-х годов и сыграло исключительно важную роль в техническом перевооружении угольной промышленности.
Однако с середины 70-х годов практически во всех угольных бассейнах наблюдается тенденция монотонного снижения показателей эффективности применения средств комплексной механизации, которая в значительной степени объясняется усложнением горно-геологических условий подземной разработки угольных месторождений. Углубление горных работ, повышение газоопасности пластов, рост количества нарушенных шахтопластов, шахтопла-стов с трудноуправляемой кровлей и слабой почвой — вот далеко не полный перечень горно-геологических факторов, осложняющих эксплуатацию месторождений. Усложнение горно-геологических условий в первую очередь сказывается на работоспособности механизированной крепи, непосредственно взаимодействующей с боковыми и обрушенными породами.
Указанное обстоятельство привело к необходимости создания механизированных крепей нового технического уровня, которые отличались более высоким сопротивлением, возможностью передвижки с подпором кровли, повышенной устойчивостью секций, небольшими площадями обнажения кровли, высокой скоростью крепления, эффективной защитой рабочего пространства от проникновения обрушенных пород. Созданные на базе этих крепей механизированные комплексы второго поколения расширили условия и область комплексной механизации очистных работ, позволили охватить угольные пласты с тяжёлой и неустойчивой кровлями и другими сложными условиями.
На базе широких исследований в очистных выработках при использовании комплексов с механизированными крепями нового технического уровня были установлены дополнительные закономерности взаимодействия крепи с боковыми породами, которые позволили заложить основы создания унифицировашюй системы механизированных крепей третьего поколения с дистанционным автоматизированным управлением. Промышленные испытания и эксплуатация механизированных крепей третьего поколения свидетельствуют о перспективности создания данных конструкций.
Несмотря на прогресс, достигнутый в области изучения процессов взаимодействия мезанизированных крепей с боковыми породами, следует констатировать, что остаётся нерешённой проблема, связанная как с созданием механизированных крепей для сложных горно-геологических условий, так и с их эксплуатацией, обеспечивающей эффективную работу. Недостаточен объём статистического материала] одрожаквп&ЯА'йёУвйАюсти процесса
1 БИБЛИОТЕКА ]
взаимодействия крепей с тяжёлыми кровлями. Нет четкого представления о влиянии распределения начального распора по ширине поддерживаемого пространства на взаимодействие крепи с кровлей, не определены технические решения, обеспечивающие варьирование распором. Практически не реализовано такое направление улучшения состояния кровли и снижения интенсивности отжима угля, как повышение реакции забойных консолей. Недостаточно изучен вопрос о параметрах резких осадок кровли при взаимодействии с механизированными крепями, результатом чего является отсутствие надёжных средств защиты механизированных крепей и высокоэффективных гидросистем.
Решению этой проблеммы и посвящена данная диссертация. Основное внимание при этом уделено изучению процессов взаимодействия механизированных крепей с кровлей и почвой в сложных горно-геологических условиях, совершенствованию гидросистем и конструкций крепей, способов и средств регистрации параметров динамических осадок кровли.
Работы выполнялись в соответствии с грантами и заданиями Министерства образования РФ и Министерства науки РФ, по договорам с машиностроительным заводом им. И. Черных, ИГД им. А.А. Скочинского, ПО "Южкузбассуголь", "Ленинскуголь", ГПО " Кузбассгосуглепром ", ш. "Распад-ская", КузНИУИ.
Цель работы - экспериментально-теоретическая оценка и обоснование параметров механизированных крепей для сложных горно-геологических условий пологих угольных пластов.
Идея работы - использование функции полезности для комплексной оценки критериев взаимодействия механизированных крепей с окружающим массивом горных пород в сложных горно-геологических условиях залегания пологих угольных пластов.
Задачи исследований.
-
Выявить особенности взаимодействия механизированных крепей с боковыми породами в экстремальных условиях эксплуатации.
-
Изучить влияние рабочего сопротивления, начального распора механизированных крепей и его распределения по ширине поддерживаемого пространства на процесс взаимодействия их с трудноуправляемой кровлей.
-
Оценить влияние геометрических и кинематических параметров верх-няка на взаимодействие крепи с кровлей.
-
Определить влияние силовых и конструктивных параметров на контактное взаимодействие опорных элементов крепи с упругими породами.
-
Исследовать влияние физико-механических свойств и условий залегания размокаемых почв, а также силовых и конструктивных параметров крепи на её устойчивость под нагрузкой.
-
Разработать средства регистрации и с их помощью установить параметры динамических осадок кровли в шахтных условиях.
-
Разработать комплекс технических решений по совершенствованию гидросистем и конструкций механизированных крепей.
Методы исследований. Применяется комплекс методов, включающий: теоретические исследования работы предохранительного клапана ЭКП, динамических сдвижений кровли в периоды вторичных осадок и контактного взаимодействия опорных элементов крепи с породами; моделирование взаимодействия крепи с трудноуправляемой кровлей с использованием эквивалентных материалов и метода конечных элементов; стендовые исследования разработанных конструкций приборов регистрации параметров динамических осадок кровли с целью определения их метрологических характеристик; шахтные исследования параметров динамических осадок кровли и влияния параметров крепей на их взаимодействие с окружающим массивом; методы строительной механики взаимодействия балок с упругим основанием; методы теории планирования эксперимента, регрессионного анализа и математической статистики.
Научные положения, выносимые на защиту:
продольная устойчивость крепи и улучшение состояния кровли в призабойной зоне с сохранением характера крупноблочного разрушения трудноуправляемой кровли обеспечиваются увеличением начального распора крепи вплоть до рабочего сопротивления с превышением по забойному ряду гидростоек;
закономерности опускания кровли и наклон перекрытия в процессе работы крепи, неравномерность удельных давлений кровли на верхняк определяются величинами рабочего сопротивления и начальных распоров по рядам гидростоек;
усилие прижатия к кровле забойной части верхняка, определяемое закономерностями взаимосвязи его геометрических и кинематических параметров, пропорционально длине забойной консоли, углу её поворота в процессе работы крепи, диаметру гидропатрона управления консолью и расстоянию от его оси до шарнира консоли;
критерии, характеризующие неравномерность распределения контактного давления, полученные с использованием плоских и объёмных моделей взаимодействия опорных элементов механизированной крепи с упругими породами, позволяют дать комплексную оценку конструктивных решений при различных силовых параметрах;
характер взаимодействия оснований крепи с упругопластическими
породами размокаемых почв и закономерности описания величин вдавлива
ния основания и выдавливания почвы определяются параметрами погружно
го контура, силовыми параметрами и конструктивным исполнением крепи,
мощностью ложной почвы и распределением её физико-механических
свойств по глубине слоя и ширине рабочего простанства лавы;
внезапное крупноблочное разрушение основной кровли оказывает на
крепь очистного забоя воздействие колебательного характера, которое опре
деляется физико-механическими свойствами пород кровли, силовыми и кон
структивными параметрами крепи и характеризуется в различных условиях
эксплуатации фактическими величинами перемещения штока гидростойки от
0,7 до 57 мм, скорости переднего фронта импульса нагрузки от 0,15 до
3,8 м/с, заброса давления в поршневой полости до 75 МПа, продолжительности протекания процесса от 9,8 до 60 мс, при которых радиальные деформации рабочего цилиндра могут приводить к потере герметичности гидростоек.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
положительными результатами стендовых и производственных испытаний приборов динамических осадок кровли (средние погрешности измерений по перемещению штока и давлению жидкости в стойке — 4,5 %) и разработанных технических решений, а также представительным объёмом их исследований;
корректным использованием хорошо проверенных в других областях знаний методов строительной механики и конечных элементов;
адекватностью полученных регрессионных зависимостей экспериментальным данным при уровнях значимости 0,05 и 0,01;
согласованностью результатов математического моделирования с результатами шахтных исследований;
использованием высокоточной измерительной и регистрирующей аппаратуры, прошедшей метрологическую поверку;
сопоставимостью результатов исследований с результатами, полученными другими авторами.
Научная новизна заключается в том, что впервые:
произведена качественная оценка влияния величины начального распора на взаимодействие крепи с трудноуправляемой кровлей при исследованиях на стенде из эквивалентных материалов в масштабе 1:10 и установлена устойчивость крепи и боковых пород в призабойной зоне в различные периоды прохождения закола основной кровли;
установлены статистические зависимости опусканий трудноуправляемых кровель и поворота перекрытия от рабочего сопротивления крепи, начального распора и его распределения по ширине рабочего пространства, позволяющие обосновать области рациональных значений силовых параметров для обеспечения целостности кровли в забое и поворота перекрытия на завал;
установлены взаимосвязи геометрических и кинематических параметров для забойной части верхняка, оснащённой гидравлически управляемой консолью, при взаимодействии крепи с кровлей;
методика И.А. Симвулиди для расчёта составных балок на упругом основании дополнена итерационной процедурой уточнений применительно к опорным элементам механизированных крепей. Разработаны критерии контактного взаимодействия опорных элементов с упругими породами в плоской и объёмной постановках и произведена комплексная оценка различных технических решений перекрытия и основания с помощью функции полезности;
установлены основные закономерности взаимодействия основания крепи с упруго-пластическими породами размокаемых почв, на основе кото-
рой получены зависимости вдавливания носков основания и выдавливание вокруг него породы от силовых и конструктивных параметров крепи и погружного контура, а также определены области рациональных значений погружного контура для обеспечения целостности кровли в Забое и возможности передвижки;
получены закономерности взаимосвязи свойств кровли, силовых и конструктивных параметров крепи с параметрами, оценивающими динамическое воздействие на механизировашгую крепь при вторичных осадках кровли, разработаны высокоточные средства регистрации параметров резких осадок кровли, с помощью которых выявлены диапазоны изменений этих параметров в различных условиях эксплуатации;
разработаны критерии оценки работоспособности гидростоек различных конструкций и обоснован принцип защиты рабочих цилиндров гид-ростоск от бочкообразных деформаций при забросах давления рабочей жидкости в поршневой полости свыше номинального, который реализован в гидростойках с повышенной работоспособностью при динамических осадках кровли. .
' Личный вклад автора заключается в
постановке задач, в организации и участии в выполнении всех лабораторных и шахтных исследований;
построении математических и статистических моделей опускания кровли и поворота перекрытия, контактного взаимодействия опорных элементов крепи с упругими и упруго-пластическими породами, динамического взаимодействия крепи с трудноуправляемой кровлей и деформирования рабочего цилиндра гидростойки;
выявлении механизма взаимодействия механизированных крепей с кровлями и почвами угольных пластов в сложных горно-геологических условиях залегания пологих угольных пластов;
разработке способа и средств регистрации резких осадок кровли;
разработке технических решений по совершенствованию гидросистем и конструкций механизированных крепей
Научное значение работы заключается в выявлении закономерностей силового и контактного взаимодействия механизированных крепей с боковыми породами при различных параметрах в условиях трудноуправляемых кровель, резких осадок кровли, слабых размокаемых почв.
Практическая ценность в
возможности на стадии проектирования обоснования силовых и конструктивных параметров механизированных крепей в сложных условиях эксплуатации;
совершенствовании гидрооборудования, конструкций механизированных крепей и средств регистрации параметров резких осадок кровли;
регистрации параметров динамического взаимодействия крепей с об-рушающимися породами в различных производственных условиях.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты исследований, приведённые в диссертации, были использованы: ИГД им. А.А. Скочинского
при разработке предохранительного клапана с большой пропускной способностью ГВТН 10.03 для гидростоек механизированных крепей М130, М138 и др.; КузНИУИ при разработке технического задания предохранительного устройства ПУ-02-60; КузНИУИ при разработке технического задания на приборы регистрации параметров резких осадок кровли РП1; заводом им. И. Черных при проектировании крепей поддерживающего типа при отработке пластов с трудноуправляемыми кровлями; ш. Зыряновская, ш. Капитальная ПО "Южкузбассуголь" при модернизации гидросхем крепей 2М81Э; ш. Полысаевская ПО "Ленинскуголь" при модернизации крепи М130; ш. Распадская, ш. им. В.И. Ленина, ш. Полысаевская при изучении параметров резких осадок кровли при работе комплексов 2УКП, УКП5, КМ 142, Пиома; при проведении государственных приёмочных испытаний опытного образца механизированного комплекса КМ 142; при разработке курсов лекций "Основы инженерных исследований", "САПР горных машин", "Проектирование и конструирование горных машин и оборудования", "Методы расчёта горных машин", "Горные машины и комплексы" для студентов специальности 170101 (Горные машины и оборудование) со специализацией "Производство и конструирование горных машин и оборудования".
Апробация работы. Работа и её отдельные части докладывались и получили одобрение на: науч.-практ. конф. «Механизация ручного труда в угольной промышленности Кузбасса» (г. Прокопьевск, 1980); науч.-практ. конф. «Механизация и автоматизация ручных и трудоёмких операций в промышленности Кузбасса» (г. Кемерово, 1982); всесоюз. науч.-техн. конф. «Совершенствование технологии, механизации и организации производства при добыче угля» (г. Люберцы, 1983); науч.-практ. конф. «Совершенствование техники, технологии и организации шахтного строительства, открытых и подземных горных работ» (г. Кемерово, 1983); всесоюз. науч.-техн. конф. «Проблемы разработки мощных пологих и наклонных угольных пластов подземным способом» (г. Караганда, 1984); науч.-практ. конф. «Совершенствование техники, технологии и организации шахтного строительства» (г. Кемерово, 1987); науч.-техн. конф. «Автоматизация и механизация в машиностроении» (г. Кемерово, 1988); всесоюз. науч.-техн. конф. «Интенсивная и безотходная технология разработки угольных и сланцевых месторождений» (г. Москва, 1989); всесоюз. науч.-техн. конф. «Теория и практика проектирования, строительства и эксплуатации высокопроизводительных подземных рудников» (г. Москва, 1990); науч.-практ. семинаре «Проблемы и перспективы развития горного дела на Северо-Востоке СССР» (г. Якутск, 1990); II Респ. семинаре «Проблемы разработки полезных ископаемых в условиях высокогорья» (г. Фрунзе, 1990); X всесоюз. науч. конф. «Физические процессы горного производства» (г. Москва, 1991); всерос. науч.-метод, конф. «Компьютерные технологии в высшем образовании» (г. Санкт-Петербург, 1994); меж-дунар. семинаре «Проблемы и перспективы развития горной техники» (г. Москва, 1994); всерос. науч.-практ. конф. «Перспективы развития технологий и средств бурения» (г. Кемерово, 1995); отчетной сессии Кузбасского науч.-образовательного комплекса за 1993-1995 гт (г. Кемерово, 1996); меж-
дунар. науч.-метод, конф. «Новые информационные технологии в университетском образовании» (г. Новосибирск, 1998, г. Томск, 2000); I вссрос. науч.-практ. конф. «Информационные технологии в экономике, науке и образовании» (г. Бийск, 2000); российско-китайском симпозиуме «Строительство шахт и городских подземных сооружений» (г. Кемерово, 2000); III междунар. науч. конф. «Математическое моделирование физических, экономических, социальных систем и процессов» (г. Ульяновск, 2000); IV и V междунар. науч.-практ. конф. «Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах» (г. Кемерово, 2000, 2002); регион, науч.-практ. конф. «Информационные недра Кузбасса» (г. Кемерово, 2001, 2003); междунар. конф. «Динамика и прочность горных машин» (г. Новосибирск, 2001, 2003); междунар. науч.-практ. конф. «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (г. Кемерово, 2001); IV междунар. науч.-практ. конф. «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибре-сурс-2001» (г. Кемерово, 2001); регион, науч.-практ. конф. «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении» (г. Юрга, 2002); всесоюз. семинарах «Взаимодействие механизированных крепей с боковыми породами» (г. Новосибирск, 1978, 1980, 1982, 1984, 1986, 1988); ежегодных научных конференциях студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава Кузбасского политехнического института - Кузбасского государственного технического университета (г. Кемерово, 1976-2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 88 печатных работ, в том числе 3 монографии, 1 учебное пособие, 17 изобретений.
Объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 8 разделов, заключения, списка литературы и включает в себя 370 страниц машинописного текста, 60 таблиц, 243 рисунка.
Анализ исследований взаимодействия механизированных крепей с боковыми породами в сложных горно-геологических условиях
Широкие исследования по определению! силовых параметров механизированных крепей, для работы в условиях трудноуправляемых кровель были выполнены ВНИМИ; ИГД им. А.А. Скочинского, Гипроуглемашем и другими коллективами страны.
Одним из основных параметров; крепи; является её рабочее сопротивление, которое должно быть таким, чтобы по возможности максимально уменьшить вредное влияние периодических разгрузок секций w не допустить критических смещений кровли в призабойной полосе..
Нижняя граница необходимого сопротивления крепи регламентирована ГОСТ 15852-82 (табл. 1.311), однако; как показали исследования, проведенные ВНИМИ- в различных бассейнах страны, имеется целый ряд пла : стов и отдельных участков, для: которых эти; величины явно недостаточны; и нуждаются; в увеличении [60].
На пологих: и наклонных (до 35е) пластах мощностью 2-4 мі в таких условиях работает 47 % всех действующих: забоев; [52].
Эксперименты, приведенные КузПИ [61-63] по повышению сопротивления крепи 2МК, а; также испытания четырёхстоечной крепи (на базе М87Д) показали, что на пластах с трудноуправляемыми кровлями увеличение; сопротивления крепи; до 600 кН/м2 позволяет уменьшить, величины; опусканийи расслоения кровли на линии; забоя в 1,5-1,7 раза, а опусканий кровли в поддерживаемом пространстве на расстоянии 0,6 м? от забоя — в 1,6 раза.. При;этом;значительно уменьшается; кривизна- профильной линии смещения кровли; а интенсивность трещинообразования снижается- настолько, что наклонные трещины не приводят к, потере несущей способности нижних слоев.
На основании; проведенных исследований даются рекомендации по выбору необходимого сопротивления, которое должно составлять величину порядка 1,1-1,2 МН/м2.
Большая работа;по изучению влияния сопротивления: крепи на процесс взаимодействия её с трудноуправляемыми кровлями была проделана институтами ВНИМИ; и ИГД им.АЛ. Єкочинского [4,.34 55, 64-66]; В; результате обширных исследований по данному вопросу было выявлено, что зависимость; опусканий кровли от сопротивления крепи имеет вид гиперболы (рис. Г.З Л).
При этом, используя экспериментально-аналитический метод, исследованиями ИГД им: А.А. Скочинского показано, что для пластов с трудноуправляемыми кровлями; рациональное сопротивление в диапазоне мощности 2-4: м должно составлять 1,25-1,3 МН/м2 для крепей поддерживающего: типа; и 1,35-1,4 МН/м2 - для крепей оградительно-поддерживающего типа [52; 66].
Исследования других отечественных И: зарубежных коллективов также свидетельствуют о целесообразности повышения; номинального рабочего сопротивления крепей для; условий труднообрушаемьж кровель до 700-2000 кН/м2 [62, 63, 67-71].
По данным- применения; механизированных комплексов за 1981-1990 гг. была установлена зависимость производительности очистного забоя от сопротивления механизированной крепи [1] (рис. 1.3.2), из которой следует, что: - для пластов мощностью до 1,2 M; сопротивления крепи 500 кН/м2 вполне достаточно. Дальнейший рост сопротивления не будет сопровож даться увеличением производительности очистного забоя. При совершенствовании механизированных крепей для такой мощности должно быть обращено внимание на увеличение коэффициента перекрытия кровли в призабойной зоне, уменьшение удельного давления на почву пласта, перемещение центра приложения результирующей сопротивления крепи-в сторону забоя и обеспечение подпора кровли в призабойной зоне
Методика обработки результатов исследований и построения регрессионных зависимостей
По результатам? шахтных исследований в соответствии с теорией планирования эксперимента строятся статистические модели зависимостей опусканий кровли по забойному ДЙ, и завальному ДЁ3 рядам гидростоек в виде: ДЬг=ЗД(х() (2.3.1) Ah2=a 2f2(x(), i = l,2,...,k, (2:3.2) 105 где aj и а2 — векторы значимых коэффициентов регрессионной модели; fi(x,) и f2(x,) — соответственно вид функции Aht и ДЬ2 от х,; х, ,i = 1,2..., к — независимые переменные модели; к - количество независимых переменных.
Исследованиями; Института горного дела им. А.А. Скочинского [52] установлено, что по условиям сохранения целостности кровли призабой-ного пространства для крепей поддерживающего типа (М130, 2М81Э) в: условиях Кузнецкого бассейна смещения не должны превышать 30-35 мм на. 1 м ширины поддерживаемого пространства., Следовательно, для крепи і 2М81Э критические значения опускания кровли, при которых происходит резкое ухудшение состояния кровли, составляют для забойного ряда гидростоек 50-58 мм и для завального ряда 83-96.мм. Для. нормального взаимодействия крепи с боковыми породами необходимо, чтобы опускание кровли по забойному ряду не превышало опускания кровли по завальному ряду. В противном случае будет наблюдаться наклон передней:. части; перекрытия к почве,, что неизбежно ведет к отрыву её от кровли, ухудшению контактирования с кровлей козырька и, как следствие этого, резкому-ухудшению состояния кровли: высыпанию породы в рабочее пространство и куполообразованию.
Для выполнения этих условий необходимо подобрать значения независимых переменных х,, удовлетворяющих системе неравенств: ДЙ2 = a2f2(xj) ;H2ep - Дп -дК О (2.3.3), х1шщ -Ь Xj ьХ1ия 1 1, г, « ,А где HjKp и Н2кр.— соответственно критические значения опускания кровли; по забойному и завальному рядам гидростоек, мм; xtmin и xlmax — соответственно нижний и верхний уровень і-ой независимой переменной. Уравнения смещений кровли (2.3.1) и (2.3.2) хотя и нелинейны относительно независимых переменных х, из-за наличия эффектов парного и тройного взаимодействия, но являются относительно гладкими в области экспериментирования [133]:
В некоторых случаях не всегда удается воспользоваться методами теории планирования эксперимента. Так, например, при введении в статическую5 модель в качестве независимой переменной продолжительности технологического цикла по добыче угля, практически невозможно осуществить, проведение эксперимента при наперед заданном её конкретном значении. Для построения математических моделей, включающих такие независимые переменные, применялись методы регрессионного анализа.
Статистический анализ уравнения регрессии После того, как уравнение приближенной регрессии найдено, его подвергают статистическому анализу, состоящему из двух.этапов: оценки ошибки от замены истинной регрессии приближенной;. проверки значимости найденного уравнения регрессии в сравнении со случайной ошибкой наблюдений ст .
Оценка ошибки от замены истинной регрессии приближенной производится с помощью остаточной дисперсии Slyi-y(xt)I SL = =1 „ т , 2-3.4) n-L где L — количество оцениваемых параметров в уравнении регрессии; и стандартного . (среднеквадратичного) отклонения Ь -\/Ь0ст (2.3.5)
Для оценки концентрации распределения (и, следовательно, тесноты связи) около кривых регрессий в некоторых случаях использовалось эмпирическое корреляционное отношение Y и X [136] 1=1 , (2.3.6) Zfr.-y)2 I 1-І где у — среднее арифметическое величины Y; и коэффициент надежности эмпирического корреляционного отношения i(n) = - . (2.3.7).
Проверка значимости найденного уравнения регрессии Эта проверка возможна только в том случае, когда есть достаточно надёжная оценка для случайной ошибки наблюдений с .
Если. найденное уравнение у(х) = f(х) окажется значимым, то его считают окончательным. В противном случае функция f(x) нуждается в дальнейших уточнениях и переходят к анализу конкретных добавок ч (х), либо подбирают новое уравнение.
Обоснование основных схем взаимодействия крепи с,трудно управляемой кровлей
В результате наблюдений в лабораторных и шахтных условиях за работой крепей было установлено, что примерно в половине из наиболее нагруженных циклов опускания кровли преобладали над забойными гидростойками, а примерно в половине циклов — над завальными гидростойками. При этом наиболее неблагоприятное состояние кровли наблюдалось в тех случаях, когда в течение технологического цикла опускания кровли преобладали: над забойными; гидростойками (рис. 3.2.2); В этих случаях происходил отрыв передней части верхняка от кровли, приводящий к ухудшению контактирования и; уменьшению реакции крепи в призабойной зоне и, как следствие этого, к высыпанию пород непосредственной, кровле В; рабочее пространство под крепь и образованию куполов:
При опережающем опускании завальной части; перекрытия куполо-образование и:высыпание пород кровли в рабочее пространство: почти не наблюдалось, вследствие увеличение прижатия: забойной части верхняка:к. кровле. При этом в ряде циклов было зафиксировано даже увеличение: раз-движности забойной гидростоики, (см. схему 1. на.рис. 3 2.1),. обусловленное наличием І гидравлической: связи, между ее поршневой полостью и; поршневой полостью; гидропатрона управления козырьком [150]:
На основании вышеизложенного, а также по литературным источникам [34, 156, 157] можно заключить,. что при- работе крепей в периоды вторичных осадок основной кровли; возможны.следующие: схемы её взаимодействия с трудноуправляемыми кровлями (рис..ЗА . 1);
Блок: основной кровли свободно зависает над крепью, его передняя часть опирается на породы непосредственной кровли, расположенные над пластом? угля. При; этом- отмечаются преобладающие опускания кровлиj над завальными- гидростойками І интенсивный; отжим; угля и удовлетворительное состояние кровли в призабойной зоне; IL Блок основной кровли своей задней частью1 опирается: на ранее обрушившиеся? породы, закол основной: кровли расположен над завальной частью перекрытия; При этом отмечаются- преобладающие опускания: кровли, над завальными гидростойками; Интенсивного-отжима угля и куполообразования нет. . III: Блок основной кровли свободно зависает над крепью, его забойная: часть опирается на породы непосредственной кровли, впереди очистного забоя, непосредственная кровля над завальной частью L пере = IV. Блок основной кровли своей завальной; частью опирается на ранее обрушившиеся породы, закол основной кровли расположен над забойной частью перекрытия, либо над пластом угля.. При этом отмечаются преобладающие опускания кровли; над забойными гидростойками, интенсивное куполообразование и кроме того, при расположении закола над пластом угля отмечается наличие интенсивного отжима, в противном случае интенсивного отжима не наблюдается;
Анализ рассмотренных схем: показывает, что наихудшими.: из них с точки; зрения поддержания кровли и сохранения её целостности в приза-бойной зоне являются схемы III, IV. Силовые, параметры крепи должны выбираться такими, чтобы при её работе обеспечивались I и II схемы взаимодействия.
Для оценки Эффективности; работы крепей с различными силовыми параметрами необходимо использовать критерии, которые непосредственно характеризовали бы устойчивость системы «перекрытие-кровля», а; также состояние кровли в забое. В качестве таких, критериев можно использовать следующие параметры взаимодействия: : Ahi — смещение кровли за цикл над забойным рядом:гидростоек. Из условия сохранения целостности кровли эта величина должна удовлетворять соотношению AMlh-JixlV где [h J — предельное значение опускания кровли, см/м. Зависит от. ее типа. По данным ИГД им. А.А. Скочинского [52] для крепей типа М13 0, 2М81Э в условиях Кузбасса эта величина не должна превышать 3,0-3,5; xl — расстояние от забоя до забойной гидростойки, м. Наилучшее значение критерия Ahi=0: ДП2. — смещение кровли за циклі над завальным; рядом гидростоек. Критерий имеет, значение, аналогичное Ahi. а — угол поворота перекрытия в продольном направлении относительно плоскости пласта, который можно приближенно определить. через-параметры смещения кровли (Ahі, ДІїг) и расстояние между гидростойками (см. п.2.2). Из условий лучшего поджатия;забойной консоли к кровле пласта и удовлетворительного состояния последней в призабоинои: зоне этот параметр должен стремиться к а -» max. а — абсолютное значение угла; поворота перекрытия крепи. Определяет устойчивость перекрытия под нагрузкой. Наилучшее значение этого критерия а=0; при котором- происходит равномерная деформация пород кровли.
Исследование взаимодействия элементов крепи с боковыми породами методом теории упругости (плоская деформация)
Распределение сопротивления крепи по ширине призабойного пространства является- одним из основных факторов, оказывающих влияние на процесс взаимодействия её с.боковыми породами; от которого в большой степени зависит устойчивость непосредственной кровли в призабой-ной; зоне, величина отжима угля из забоя, а также; локальное разрушение пород кровли над верхняком, приводящее к. неблагоприятным схемам; взаимодействия - с основной кровлей.
На стадии проектирования с достаточной степенью точности5 распределение сопротивления по - ширине призабойного пространства в непосредственной, близости от элементов; крепи, контактирующих с боковыми5 породами, можно количественно1 и качественно- определить, рассмотрев эти элементы как;балки, лежащие на упругом основании [160]. Для решения этой задачи можно воспользоваться методом И.А. Симвулиди [161],. используемым в: строительной механике.
Этот метод основан на решении дифференциального уравнения четвёртого порядка упругой линии балки EJ + P(x) = (x), (4.2.1) ох где EJ — жёсткость балки (опорного элемента), Н-м2; z— вертикальное перемещение нейтральной оси балки, м; Р(х) — распределённая реакция со стороны.породы, Н/м; ц/(х) — заданная активная нагрузка, Н/м.
Боковые породы под элементами крепи рассматриваются как сплошные однородные упругие среды бесконечной мощности, характеризуемые модулем деформации Е0 и коэффициентом Пуассона ц0. При этом используется плоская задача теории упругости (плоская деформация).
Элементы крепи рассматриваются как тонкий упругий брус, деформирующийся только по длине, т. е... учитывается только упругая деформация оси:бруса. При этом не учитываются поперечные деформации по высоте сечения и трение между балкой и породой.
Решение дифференциального уравнения (4.2.1) находится из условия, что упругая линия прогнувшегося элемента крепи приблизительно совпадает, с деформированной поверхностью. При этом реактивное давление породы на элемент крепи представляется в виде степенного ряда: р(х)=а(г(х-г) - (4-2-2) где L — длина балки І м; а, — неизвестные параметры, величины которых зависят от жесткости балки, её длины, модуля деформации упругого основания; характера і нагрузки и её расположения, Н/м. Коэффициенты а І определяются из условий контактности элементов с боковыми породами: равенство прогибов элемента и породы на левом конце ив середине
Кроме того, при совместном решении шарнирно-соединённых и составных элементов крепи добавляются приближённые условия сопряжённости, заключающиеся в равенстве реактивных давлений породы и угловых перемещений элементов крепи в местах их мысленного расчленения.
В результате решения уравнений, составленных.на основе вышеперечисленных условий, И:А. Симвулиди получены общие расчётные формулы в простой форме для любой нагрузки, расположенной на балке. Им же показано, что для инженерных расчётов в, выражении (4.2.2) вполне достаточно ограничиться первыми четырьмя членами. Увеличение же степени полинома не приводит к существенному повышению точности решения, однако при этом резко возрастает объем вычислений и сложность расчётных формул.
При рассмотрении взаимодействия секции механизированной крепи с боковыми породами представляем её как совокупность балок, лежащих на упругом основании и нагруженных реакциями гидростоек и гидропатрона забойной консоли (рис. 4.2.1, а). Если рассматриваемый элемент крепи представляет из себя шарнирно-сопряжённую балку (например, верхняк) и у каждого его элемента сечение изменяется незначительно, то для упрощения расчётов на этапе проектирования можно расчленить её в шарнире на две балки постоянного поперечного сечения и действие шарнира заменить поперечными силами Y [162].
Действие гидропатрона управления забойной консоли в соответствующих местах заменяется дополнительными силами и изгибающим моментом Мг величина которого зависит от конструктивной схемы крепи ив общем случае выражается формулой Мг = Рг а, (4.2.8) где Рг — давление рабочей жидкости в гидропатроне, Па; Dr — диаметр поршня гидропатрона, м; а — расстояние от шарнира до реакции гидропатрона, м.
В том случае, если поршневая полость гидропатрона соединена с поршневой полостью забойной гидростойки или с поршневой полостью завальной гидростойки, момент Мг определяется соответственно как
Если опорные элементы крепи имеют ярко выраженное переменное сечение, то их разделяют на отдельные балки с постоянными моментами инерции; каждая из которых в местах разреза; дополнительно нагружена перерезывающими силами и изгибающими моментами (рис. 4.2.2).
Это является;наиболее общим;случаем расчёта опорных элементов крепи. При этом условия сопряжённости будут выглядеть следующим образом. Условие равенства реактивных давлений породы на балки в местах их мысленного расчленения
Полученная расчётная! схема (рис. 4.2.2) дает возможность каждую из отдельных балок рассмотреть как простую балку конечной длины, лежащую на упругом основании. В случаях свободного опирання балки на породу в уравнения (4.2.11)-(4.2.12) значения Yo,Yn+i, Mo и Мп+1 принимают равными нулю. Влиянием основания одной балки на другую в местах их мысленного расчленения пренебрегаем.
Решая системы уравнений (4.2.11) и (4.2.12), определяем неизвестные усилия и изгибающие моменты в местах мысленного расчленения опорного элемента, после чего в соответствии с выражением (4.2.2) получаем уравнения, описывающие характер распределения реактивных давления кровли на балки
