Введение к работе
Актуальность работы.; Значительная часть угольных пластов Кузбасса характери
зуется наличием в кровле трудноббрушаемых пород. В настоящее время из общего объ
ема промышленных запасов угля около 50% приходится" на долю таких' пластов: Отра
ботка данных пластов осуществляется системами с обручением' с использованием оте
чественных-механизированных комплексов. Выемка плаетов сопровождается крупно
блочным обрушением кровли с резкими осадками пород, что вызывает появление нагру
зок на крепь динамического характера и приводит к поломкам элементов крепи и про
стоям очистного забоя. Чаще всего деформируются непосредственно гидростойки, ос
нования и перекрытия секций крепи. Нагрузка на очистной забой на участках с трудно-
обрушаемой кровлей снижается на 40% и более по сравнению'С'нагрузкой в нормальных
условиях. ' ....
В целях снижения вредного влияния резких осадок кровли на эффективность применения механизированных крепей научно-исследовательские работы ведутся по следующим направлениям:
совершенствуются способы и средства разупрочнения кровли;
повышаются величины начального распора и рабочего сопротивления крепей;
разрабатываются эффективные способы и средства обеспечения податливости гидростоек крепи при номинальном сопротивлении в момент резких осадок кровли;
применяется искусственное разупрочнение кровли (торпедирование, гидрообработка и их сочетание), что снижает интенсивность обрушения кровли и аварийность крепи, однако способ является трудоемким, дорогостоящим и опасным.
Существующее направление по созданию крепей с высокими силовыми параметрами следует считать одним из основных в повышении эффективности отработки пластов с труднообрушаемыми кровлями. Создание крепей с рабочим сопротивлением до 1300 кН/м2 и начальным распором до 580 кН/м2 позволило повысить эффективность отработки пластов, но не исключило появление резких осадок пород кровли, деформацию элементов крепи при динамических нагрузках.
Обеспечение податливости гидростоек крепи в моменты резких осадок кровли решается различными способами: применением аккумуляторов в сочетании с предохранительными клапанами, а также амортизирующих проставок; установкой разрушаемых предохранительных элементов и других устройств; применением ^предохранительных клапанов с высоким расходом. Анализ этих способов позволяет сделать, вывод о том, что создание болыиерасходных и быстродействующих клапанных устройств, обеспечивающих защиту гидростоек от динамических нагрузок, возникающих при резких осадках кровли, является наиболее перспективным направлением. Поэтому тема диссертационной работы по обоснованию параметров и созданию.: надежных средств защиты гидростоек от резких осадок кровли является актуальной. > о.
Целью работы является обоснование параметров и разработка предохранительного устройства для защиты гидростоек механизированных крепей от резких осадок кровли.
Идея работы заключается в установлении количественных характеристик резких осадок труднообрушаемых пород кровли для обоснования параметров предохранительного устройства защиты гидростоек механизированных крепей от резких осадок.
- установить особенности взаимодействия механизированных крепей с трудно-
Об^-'ШЗеМЫМИ П0ГІ0ДЗМИ КГ»ОВЛ" н ?-ЯКО^ОМ*?Г!И^е?И о5^-'11*Є?:ИЯ Т70"ОД кт?о??И'
установить закономерности появления резких осадок кровли и определить количественные характеристики резких осадок кровли;
оценить возможности существующих отечественных стоечных, предохранительных клапанов по защите гидростоек механизированных крепей от резких осадок кровли; .
разработать технические требования к предохранительному устройству для надежной защиты гидростоек от резких осадок кровли и конструкцию предохранительного устройства;
провести испытания предохранительного устройства. Подтвердить работоспособность и обоснованность параметров устройства.
Метотты исследований.
Применяется комплекс методов, включающий:
теоретические исследования процессов разрушения пород кровли с использованием основных положений теории хрупкого разрушения;
лабораторные и стендовые исследования режимов работы предохранительных устройств и серийных клапанов;
шахтные исследования параметров и характера обрушения труднообрушаемых. пород и резких осадок кровли, взаимодействия механизированных крепей с вмещающими породами;
математические методы обработки результатов наблюдений с использованием основ теории вероятностей и математической статистики.
Научные положения, выносимые на защиту;
механизм формирования резких осадок кровли определяется склонностью пород к хрупкому разрушению, высокой концентрацией напряжений в максимуме зоны опорного давления и скачкообразным развитием трещины давления в зоне опорного давления; .-.;-':..
появление резких осадок кровли рассматривается как поток случайных событий, описываемый распределением Пуассона с параметром распределения, представляющим собой число резких осадок, приходящихся на 1 м2 отработанной площади пласта;
параметры предохранительного устройства определяются характеристиками резких осадок, из которых основными являются скорость проявления осадки и величина резкой осадки;
- относительный условный проход предохранительного устройства, представ
ляющий собой отношение условного прохода к диаметру поршня гидростойки, характе
ризует защитные качества предохранительного устройства.
Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается:
представительными объемами шахтных и лабораторных испытаний (исследование взаимодействия механизированных крепей с кровлей проведено в 30 лавах на 8 пластах);
хорошей сходимостью результатов теоретических исследований с шахтными. Отклонение результатов шахтных и лабораторных исследований не превышает 20%;
Научная новизна шботьт:
выбран критерий оценки условий возникновения хрупкого разрушения пород кровли, в качестве которого используется коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины, установлены условия, при которых фактический коэффициент интенсивности превышает его критическое значение;
установлена зависимость степени деформации элементов механизированной крепи при резких осадках кровли от сопротивления крепи; '--'
установлен закон распределения частоты появления резких осадок кровли и разработан метод прогноза появления резких осадок кровли;
определены характеристики резких осадок кровли, которые' использованы для обоснования параметров средств защиты гидростоек крепей от резких осадок кров" лИ;
обоснован принцип защиты гидроэлементов механизированной крепи от резких осадок кровли, разработано устройство защиты гидростоек от резких осадок кровли.
Личный вклад автора заключается:
в определении периодичности обрушения труднообрушаёмых"пород кровли и прогнозировании появления резких осадок кровли;' ' ''"''-';' '
в установлении последовательности процесса разрушения труднообрушаёмых пород кровли на основе положений теории хрупкого разрушения;
в установлении зависимости между вероятностью появления резких осадок кровли, способных деформировать крепь, и сопротивлением крепи;
в обосновании принципа действия и параметров средств защиты гидростоек от резких осадок кровли.
Практическая ценность работы:
определены горно-геологические условия, при которых наиболее вероятны резкие осадки кровли;
определена область эффективного действия серийных предохранительных клапанов при резких осадках кровли;
разработано предохранительное устройство, обеспечивающее защиту гидростоек механизированных крепей от резких осадок кровли.
Реализация работы.
Научные результаты и практические рекомендации, разработанные автором, вошли составной частью в нормативно-методические документы:
«Методические указания по выбору схем и параметров камуфлетного взрывания зарядов при снижении удароопасности пластов», (ОАО «КузНИУИ»);
«Методические указания по выбору механизированных комплексов для отработки угольных пластов, опасных по горным ударам», (ОАО «КузНИУИ»);
- «Техническое задание на предохранительное устройство ПУ-02-60», (ЗАО
«Шахта «Распадская», ОАО «КузНИУИ»).
Разработанные мероприятия по снижению резких осадок кровли И защите механизированных крепей внедрены на шахтах «Распадская», «Усинская» и ряде других.
Ориентировочный экономический эффект от внедрения 'предохранительных устройств в ценах 1990 т составляет около 2700 тыс.руб; на один очистной забой.
Ащюбвция работы.
Основные научные положения диссертации докладывались на техническом совете АО УК «Кузнецкуголь» (г.Новокузнецк, 1990-1998 гг), на технических советах шахты «Распадская», «Усинская» ()990-1998 гт),на ученом совете ОАО «КузНИУИ» (г.Прокопьевск, 1990-1998 гг), на семинарах КузГТУ (г.Кемерово, 1998, 1999 гг), на Международной конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (г.Новокузнецк, 1999 г).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ.
Структура работы, Диссертационная работа состоит из введения, 6 разделов, заключения, списка литературы из 80 наименований, изложена на 216 страницах, включая 20 таблиц, 62 рисунка.
