Введение к работе
Актуальность проблемы. Текущее состояние безопасности горных работ свидетельствует об особо острой проблеме проявления горного давления с точки зрения вывалов неустойчивой кровли . Доля обрушений кровли составляет в общем числе аварий по шахтам Украины 30%. На шахтах западных промышленно развитых стран эта цифра достигает 48-56% . Около 60% от всех обрушений с 1974 по 1993 год (всего 872 случая) зафиксировано в очистных забоях. Средний коэффициент смертности при обрушениях составляет 0,8. Ежегодно происходит около 40 завалов, более половины которых происходят s очистных забоях или на сопряжениях с выемочными выработками. В подавляющем числе случаев аварий обрушаются слабые породы непосредственной или ложной кровли с коэффициентом крепости 1,5-4. Средние размеры куполов вывалов составляют 1-6м. а их ширина 1,8-7,2м. Объем вывалившихся пород составляет 1,2-24м3. Толщина слоя разрыхленных пород находится в пределах 1,3-8,9м.
Производительность в очистных забоях, где происходят вывалы кровли падает на 35-85% в зависимости от их интенсивности. Типичная ситуация когда лава простаивает 1-2 недели по причине масштабного вывала кровли и проведению специальных работ по его ликвидации. В результате недополученная добыча по причине вывалов кровли в очистных забоях составляет от 10 до 40%, что на средней шахте соответствует 100000-300000 тонн угля в год.
Наконец увеличение зольности сверх планового уровня из-за попадания пустых пород во время вызалоа кровли состазляет 1,8-5%. Такое снижение качества добываемого угля равноценно потери прибыли по средней шахте 300000-1000000 гривен о год
Таким образом проблема управления аывалоопасными кровлями в очистных угольных забоях является весьма актуальной.
Связь темы диссертации с планом основных научно-исследовательских работ. Исследования изложенные в данной диссертации были начаты в Московском горном институте (номер госрегистрации отчета 01890004712 "Разработка требований по выбору способов управления состоянием массива пород кровли в выемочных выработках на весь срок их службы".-М.: МГИ, 1991) и продолжены автором при практической деятельности на шахтах объединения, а затем ГХК Макеевуголь
Целью работы является разработка геомеханических основ управления
вывалами непосредственной кровли с учетом периодических ее обрушений на основе установления общих закономерностей данного процесса и создания его модели.
Идея работы состоит в покомпонентном учете распределения факторов динамической и статической составляющей горного давления и оценке их удельного влияния в технологии управления кровлей в очистном забое.
Методы исследований в данной работе использованы метод инструментальных наблюдений за смещениями кровли и толщи горного массива, а также давлением обрушающихся пород на почву отработанного пласта, измерение объемов вывалов, методы математической статистики и гармонического анализа для обработки результатов наблюдений, физическое моделирование процесса обрушения на эквивалентных материалах, математическое моделирование процессов перераспределения напряжений и разрушений в кровле очистного забоя с помощью метода конечных элементов, теория размерностей, термодинамика необратимых процессов.
Основные научные положения и их новизна:
1ь Формирование динамической составляющей горного давления может осуществляться не только за счет основной кровли, но и за счет любого другого породного слоя кровли. При этом динамическая компонента увеличивается с ростом прочности и мощности породного слоя, слагающего кровлю м обратно пропорциональна расстоянию от его центра тяжести до обнажения очистного забоя.
2. Строгая периодичность обрушения нарушается преждевременным
обрушением породных слоев из-за их предварительной нарушенности или за счет
задержки обрушения при опираний зависших слоез на обрушенные породы.
Регулярная периодика обрушения и сдвижения кровли нарушается также
изменчивостью прочностных свойств породных слоев и их местоположения
относительно обнажения непосредственной кровли. На основании установленное
закономерности предложена зависимость для расчета средневзвешенной прочность
кровли, учитывающая прочность, мощность слоев и их ыестоположенш
относительно обнажения непосредственной кровли.
3. Особенность механизма разрушения вмещающих лризабойно:
пространство пород состоит в эволюционировании попеременных скачков в почве і
кровле. При этом скачек разрушений в почве инициирует очередной этап развитие
разрушений в кровле и наоборот, что обуславливает обратную положительнун
взаимосвязь между процессами разрушения пород в кровле и почве движущегося очистного забоя.
Создание горизонтального подпора крозли в сторону груди забоя на уровне не более 64% от вертикальней компоненты прерывает неблагоприятную положительную обратную связь между процессами разрушения в почве и кровле и может предохранить крозлга от разрушений над неподкрелленным пространством.
Данное решение язляется теоретическим обоснованием для разработки новой технологии крепления слабых кровель, обеспечивающей их устойчивость в сложных услозиях глубоких шзхт.
4. Разработанный новый количественный критерий устойчивости кровли в очистном забое еогрзстает с увеличением средневзвешенной прочности крозли, долговечности слагающих ее пород и обобщенного показателя отпора крепи и уменьшается с ростом статической и динамической компонент опорного давления, Еынимаемай мощности пласта и времени обнажения кровли. Данный критерий согласуется качественно с известными классификациями устойчивости крозли и уточняет их в количественном отношении. Это увеличивает достоверность оценки устойчивости крозли, что повышает безопасность горных работ в целом и надежность работы очистного оборудования, в частности.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением массовых шахтных инструментальных наблюдений за периодическими проявлениями горного давления в процессе движения очистного забоя независимыми и взаимодополняющими методами измерений и анализа, а именно: за опусканиями кровли и параметрами ее вывалоз в условиях шахты им. Баженова; анализом изменчивости нагрузки на крепь очистного забоя (шахта Emerald); измерением с помощью глубинных реперов нормальных к напластованию деформаций толщи, примыкающей сбоку к выработанному пространству лавы по мере ее удаления от наблюдательной станции (шахта им. Калинина, гор. 820м); измерением вертикальных сдвижений массиза на уровне непосредственной почвы пласта впереди движущейся лавы (шахта им. Почвнкова, гор. 915м); измерением скорости конзергенции на контуре полевых выработок, на которые надвигалась действующая лаза (шахта им. Бажанова, гор. 1100м); измерением изменчивости горизонтальных габаритов сечения полевого штрека, испытавшего косвенную надработку проходящей мимо лавы (шахта им. Калинина, гор. 893м); измерением давлэния обрушающейся толщи на почву отработанного
пласта по мере удаления лавы от наблюдательной станции (шахта им. Абакумова, гор. 590м); применением современного метода анализа периодических проявлений горного давления на основе спектрального гармонического анализа; совпадением результатов исследований роли горизонтальной комгюненты отпора крепи яри применении независимых современных методов численного и физического моделирования.
Научное значение работы заключается в установлении закономерности вывалов кровли в очистном забое, заключающейся в том, что вклад в формирование вывала вносят все слои кровли пропорционально их прочности и мощности и обратно пропорционально расстоянию от их центров тяжести до обнажения очистного забоя и разработке на этой основе количественного критерия устойчивости кровли, послужившем теоретической основой для разработки системы геомеханической оценки ее устойчивости и новых принципов ее повышения.
Практическое значение работы заключается в разработанной системе геомеханической оценки устойчивости кровли в очистном забое и ее широком применении на шахтах Донбасса с помощью пакета специально разработанных программ; в разработке способов повышения устойчивости кровли на основе применения горизонтального подпора слоео трещиноватой кровли наклонным!' стойками механизированной очистной крепи, применения бутовых полос \ сопряжения с выемочной выработкой, выборе оптимальных параметров сопротивления крепей в зависимости от характера периодического проявлена горного давления при обрушении слоев кровли.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Система геомеханическоі оценки широко применяется на шахтах Украинского Донбасса при прогнозе выоалообразований в лавах и выборе и обосновании мероприятий по И) предотвращению.
Мероприятия по повышению устойчивостью крозли в сложных условия) реализованы на глубоких шахтах Донецко-Макеевского угледобывающего района: і ним относятся выбор крепей с-оптимальным сопротивлением о зависимости о' строения кровли, что позволило управлять обрушением критических дл) устойчивости кровли породных слоев; перераспределением комплексов п< выемочным участкам, при котором применение крепей с наклоном стоек в -торон; груди забоя и возможности передвижки с остаточным отпором планируется ні участках с вывалоопасными кровлями; исполозованием бутовых полос дл:
повышения устойчивости кровель на сопряжении лаз с выемочными выработками за счет создания горизонтального подпора со стороны выработанного пространства. Применение данных мероприятий дало возможность обеспечить устойчивую работу лав на шахтопластах, склонных к вывалам непосредственной кровли. Дополнительная прибыль от реализации угля заданного качества с таких участков составила по шахтам Донецко-Макеевского угледобывающего района .2,86 млн. гривен в год.
Результаты исследований вошли в учебное пособие по управлению состоянием массива горных пород и применяются в учебном процессе.
Апробаций работы. Основные результаты работы обсуждались и получили одобрение на: международной научной конференции Ground Control in Mining. Proc. 15,h int. Conf. Golden, Colorado, 1996 (Управление состоянием массива горных пород, Голден, Колорадо, США, 1996); Юбилейной научно-практической конференции выпускников гарных специальностей ДонГТУ (Донецк, 1996); Международной конференции Эффективная и безопасная подземная добыча угля на базе современных достижений геомеханики (Санкт-Петербург, Россия 1996), Международной научной конференции "Неделя горняка-97" (Россия, Москва, 1997); технических совещаниях МУП Украины и России, объединений "Макеевуголь", "Донецкуголь"; в институте ДонГИПРОшахт.
-, Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 5 самостоятельных и авторское свидетельство на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 разделов и заключения, содержит 66 рисунков, 4 таблицы, список литературы из 175 наименований и 3 приложения. Объем работы 244 страницы.
