Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ результатов исследований условий и способов поддержания слоевых выработок 6
1.1. Горно-геологические и горнотехнические условия слоевой разработки мощных пластов 8
1.2. Особенности поддержания слоевых выработок 12
1.3. Условия поддержания слоевых выработок на шахтах Карагандинского бассейна 17
1.4. Цель и задачи исследований 25
2. Исследования проявлений горного давления в слоевых выработках 28
2.1. Исследования проявлений горного давления в слоевых выработках на участке № 3 шахты им.Костенко 22
2.1.1. Общее состояние слоевых выработок 22
2.1.2. Результаты исследований проявления горного давления с помощью комплексных замерных станций 27
2.2. Исследования проявлений горного давления в слоевых выработках на участке шахты им.Костенко 21
2.2.1. Результаты исследований проявления горного давления в слоевых выработках вне зоны влияния очистных работ
2.2.2. Результаты исследований проявления горного давления в зоне влияния очистных работ 58
2.3. Исследования проявлений горного давления на участке 2ІБ шахты "Стахановская" 62
2.3.1. Условия поддержания нижних слоевых выработок 62
2.3.2. Результаты исследований проявления горного давления в зоне влияния очистных работ 62
2.4 Влияние опережения линии очистного забоя верхнего слоя на устойчивость выработок 65
2.5. Исследование устойчивости слоевых выработок при применении временной усиливающей крепи 74
2.5.1. Исследования режима работы гидростоечной крепи в зоне влияния очистных работ 74-
2.5.2. Влияние несущей способности крепи на устойчи вость слоевых выработок 78
3. Исследование проявлений горного давления на моделях из эквивалентных материалов 90
3.1. Особенности построения и отработки моделей 9І
3.2. Результаты исследований на моделях 96
4. Прогнозирование смещений вмещающих пород слоевых выработок
4.1. Исследования напряженно-деформированного состоя ния массива в окрестности слоевых выработок 108
4.1.1. Методические предпосылки к постановке задачи и обоснованию расчетной схемы 108
4.1.2. Напряженно-деформированное состояние прикон-турного массива слоевых выработок 113
4.2. Метод прогнозирования смещений вмещающих пород слоевых выработок 126
5. Опытно-промышленное внедрение результатов исследований и его экономическая эффективность 104
5.1. Горнотехнические условия и результаты проведения шахтных работ
5.2. Расчет экономической эффективности 141
Заключение 147
Литература 149
Приложение 161
- Особенности поддержания слоевых выработок
- Исследования проявлений горного давления в слоевых выработках на участке шахты им.Костенко
- Результаты исследований на моделях
- Метод прогнозирования смещений вмещающих пород слоевых выработок
Введение к работе
В соответствии с "Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" планируется обеспечить в XI пятилетке добычу угля по стране в количестве 770-800 млн.тонн.
Важную роль в решении поставленных задач, наряду с широким внедрением комплексной механизации и автоматизации производственных процессов, играет современное воспроизводство фронта очистных работ, улучшение состояния выработок, что требует применения прогрессивных методов их проведения и поддержания.
На шахтах Карагандинского бассейна ежегодно проводится более 300 км пластовых выработок, подвергающихся влиянию очистных работ, что составляет более 80% годового объема проходки горных выработок. В период эксплуатации условия их поддержания остаются неудовлетворительными, вследствие чего ежегодный объем перекрепления пластовых выработок составляет по ПО "Карагандауголь" до 170 км. Значительную их часть составляют слоевые выработки при отработке мощных пластов, т.к. около 50% добычи угля на шахтах Карагандинского бассейна приходится на эти пласты.
Принятая по бассейну двухслоевая система разработки мощных пластов длинными столбами по простиранию и падению с длиной столба до II00-I200 м обусловливает значительную протяженность слоевых выработок, и при расположении их на глубине 500 м и более требует больших затрат на поддержание. Стоимость поддержания слоевых выработок составляет 27-69 руб. на 1000 тонн добычи.
Особенно в тяжелых условиях находятся выработки нижнего слоя при одновременной отработке двух слоев с незначительным опережением верхнего слоя, так как они подвергаются двухкратному влиянию очистных работ: при отработке верхнего слоя и при подходе лавы
нижнего слоя. Почва большинства выработок нижнего слоя чаще всего представлена слабыми, склонными к пучению породами, в которых развиваются большие деформации при нахождении выработок на значительной глубине в зоне влияния очистных работ. Применяемые типы крепей не создают необходимого сопротивления развитию деформаций горных пород, вследствие чего производятся 2-3 кратная подрывка почвы и многократное перекрепление выработок. Трудозатраты и стоимость поддержания нижних слоевых выработок в 2 раза выше, чем соответствующие показатели для выработок верхнего слоя. Поэтому вопросы совершенствования способов поддержания слоевых выработок с пелью повышения их устойчивости и уменьшения затрат на поддержание являются актуальными как для Карагандинского бассейна, так и для отрасли в целом.
Анализ применяемых способов поддержания слоевых выработок показал, что важной причиной их неудовлетворительного состояния в условиях Карагандинского бассейна является несоответствие параметров применяемой крепи, а также параметров технологии разработки мощных пластов горно-геологическим и горнотехническим условиям эксплуатации этих выработок.
В связи с. этим основной задачей настоящей работы является повышение эффективности поддержания слоевых выработок при двух-слоевой отработке мощного пласта в тяжелых горно-геологических условиях с целью увеличения их устойчивости и снижения затрат на поддержание.
К защите представлены следующие основные положения:
закономерность проявления горного давления в слоевых выработках и влияние на них горнотехнических факторов;
закономерность изменения напряженного состояния массива при сложной конфигурации очистной выемки, и его влияния на слоевую выработку;
прогнозирование смещений пород в слоевых выработках;
рекомендации по повышению устойчивости и эффективности поддержания слоевых выработок.
Для решения поставленных задач в работе произведено обобщение теоретических исследований и производственных опытов, использованы современные комплексные методы натурных и лабораторных исследований, аналитический метод с применением ЭВМ, методы математической статистики обработки результатов.
Работа выполнялась в течение 1976-1982 годов в отраслевой лаборатории "Новые методы и средства разработки пластов со сложными условиями" ПО "Карагандауголь" при Карагандинском ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте в соответствии с координационным планом МУП СССР.
В результате выполненной работы установлены закономерности проявления горного давления в слоевых выработках в зависимости от параметров технологии выемки мощных пластов, позволяющие оптимизировать величину опережения верхнего слоя по фактору устойчивости нижних слоевых выработок. Установлена закономерность изменения напряженного состояния массива в зависимости от геометрии очистного забоя и выработанного пространства, обеспечивающая прогнозирование смещений пород в слоевых выработках. Предложен способ повышения эффективности использования гидростоечной крепи за счет применения металлических уширенных опор, установлен режим работы крепи. Разработаны рекомендации по внедрению эффективного способа поддержания слоевых выработок.
Основные положения представленной работы докладывались на Всесоюзном научно-техническом совещании "Совершенствование способов подготовки и систем разработки мощных пологих пластов на базе комплексной механизации" (г.Караганда, 5-7 октября 1977 года), на
УП Всесоюзной конференции по механике горных пород (г.Днепропетровск, 29 сентября-1 октября 1981 года), на ІУ Всесоюзном семи -наре "Аналитические методы и применение ЭВМ в механике горных пород" (г.Новосибирск, 6-8 апреля 1982 г.), на УШ Всесоюзном семинаре по исследованию горного давления и способов охраны капитальных и подготовительных выработок (г.Якутск, 14-15 сентября 1982 года), на техническом совете шахты им.Костенко, на научно-технических конференциях и семинарах кафедр "Разработки месторождений полезных ископаемых" и "Строительства подземных сооружений и шахт" КПТИ (1977-1983 г.г.).
Разработанные рекомендации внедрены на шахте им.Костенко объединения "Карагандауголь" при отработке пласта к-^, в резуль -тате чего повышена устойчивость слоевых выработок, улучшены условия их поддержания, уменьшился объем подрывки на 61% и расход материалов лесных на 80%. Фактический экономический эффект от практической реализации предложенных рекомендаций составил по шахте 63,5 тыс.рублей, т.е. в среднем 4-1,1 рубля на 1000 тонн добычи.
Рекомендации по внедрению эффективного способа поддержания слоевых выработок могут быть использованы на шахтах, разрабатывающих мощные пласты одновременно двумя слоями.
Особенности поддержания слоевых выработок
Одной из сложных проблем при разработке мощных пластов на глубоких горизонтах является поддержание слоевых выработок в зоне влияния очистных работ. Проведенные исследования по повышению устойчивости слоевых выработок были направлены в основном на выбор способа их охраны и взаимного расположения в слоях. Накопленный опыт бесцеликовой охраны слоевых выработок /23,24,38,51,77, 99 и др./ и применение рекомендаций по рациональному их расположению на основе натурных и лабораторных исследований /12,24,68, 86/ дали некоторые положительные результаты. Однако общее сое -тояние слоевых выработок для большинства промышленных районов страны остается неудовлетворительным, велики затраты на их поддержание и ремонт. Не является исключением в этом отношении и Карагандинский угольный бассейн.
Устойчивость горных выработок, находящихся в зоне влияния очистных работ, в значительной степени определяется характером проявления опорного давления, обусловленного процессами обрушения и оседания пород кровли и деформаций пород почвы.
Особую сложность представляет изучение проявлений горного давления в выемочных выработках при слоевой отработке мощного пласта.
Разработка мощного пласта одновременно в два слоя при незначительном опережении между ними вносит существенные изменения в характер проявления горного давления в нижних слоевых выработках. Происходит сложный процесс деформирования пород вокруг этих выработок, особенно при непосредственной надработке их лавами верхнего слоя /5,6/. При этом значительную роль на формирование опорного давления играет взаимное расположение линий очистных забоев верхнего и нижнего слоев. Поэтому важным направлением исследования является установление оптимального расстояния между очистными забоями в слоях, при котором величина опорного давления в окрестности слоевых выработок была бы минимальной.
На шахтах Кузбасса при разработке мощных пластов одновременно 2-3 слоями на глубине 250-300 м /63,23,33/ определены зоны активного сдвижения пород в выработанном пространстве при отработке верхнего слоя, на основании этого рекомендованы оптимальные величины опережения одного слоя относительно другого. При двух-слоевой отработке пласта рекомендуется принимать опережение между слоями 20-35 м, в этом случае лава нижнего слоя и примыкающая выработка наиболее разгружены от горного давления.
Аналогичные экспериментальные исследования проводились на шахтах Карагандинского бассейна /12,30,44,57/ при разработке мощных пластов на глубине до 250 м. Исследовалась динамика развития опорного давления /57/, выведена формула для определения оптимального опережения в зависимости от шага обрушения непосредственной и основной кровли. Влияние величины опережения на смещения пород в слоевых выработках рассматривалось только у забоев лав /12/.При проведении экспериментов на глубине 500 м /30/ основным критерием при выборе оптимального расстояния между лавами явилось исключе -ние взаимного влияния производственных процессов в очистных забоях верхнего и нижнего слоев. В определенных условиях подобный подход к решению задачи явился экономически оправданным. Однако с увеличением глубины разработок и, как следствие отсюда, интенси -фикацией проявления различных форм горного давления проблема поддержания слоевых выработок обретает все больший удельный вес в формировании технико-экономических показателей шахты.
Следует заметить, что в особо сложных условиях находятся выработки нижнего слоя.
Так на шахтах им.Костенко, "Стахановская", им.50-летия Октябрьской революции, где горные работы ведутся на глубине более 500 м, трудозатраты на поддержание верхних слоевых выработок составляют в среднем 6,4 человеко-смен, тогда как для нижних слоевых выработок они увеличиваются до 11,6 человеко-смен на 1000 тонн добычи угля.
Многочисленные наблюдения за деформациями горных пород в подготовительных выработках на глубоких горизонтах показали, что преобладающими являются вертикальные смещения, т.е. деформации пород кровли-почвы /44,45,56,82,96/. На шахтах Карагандинского бассейна при слоевой отработке мощных пластов вертикальные смещения в 3 раза превышают боковые /1,29/, в Донбассе при залегании выработок в слабых породах вертикальные смещения в 2 раза больше горизонтальных /45/. В случае залегания в почве выработки слабых глинистых пород происходит интенсивное пучение почвы в зоне опорного давления, которое составляет до 80-90% от вертикальных смещений /29,74,99/.
Поэтому наиболее актуальным становится вопрос разработки эффективных способов поддержания подготовительных выработок при интенсивных вертикальных смещениях пород, особенно при пучащих породах почвы.
Основным мероприятием по предотвращению интенсивных вертикальных смещений в зонах опорного давления является применение временных конструкций крепей с повышенной несущей способностью. Повышение сопротивления крепи достигается за счет большей ее плот -ности, либо за счет использования дополнительных усиливающих элементов /24,35,43,72,81/.
На шахтах Донбасса /95,98,85/ применение в качестве крепи усиления гидростоек сопротивлением до 500 кН/м в зонах опорного давления способствовало уменьшению смещений в 1,5-2 раза.
Влияние сопротивления крепи на смещения пород почвы для условий шахт Донбасса освещены и в работах И.Л.Черняка /93,95/.Анализируя взаимодействие крепей различного сопротивления и пород почвы, автор показал, что с увеличением сопротивления крепи смещения пород почвы уменьшаются как на контуре, так и в глубине массива. Крепь наиболее активно влияет на уменьшение смещений пород при расстоянии, равном 10 м и более от лавы. На этом расстоя рнии с увеличением сопротивления крепи ступенями от 0 до 280 кН/м смещения уменьшаются от 16 до 520%. В работе изучается влияние изменения сопротивления крепи на величину и характер смещений по
Исследования проявлений горного давления в слоевых выработках на участке № 2 шахты им.Костенко
Для наблюдения за смещениями горных пород в подготовительных выработках в период их проведения установили по I реперной станции с пятью замерными сечениями в конвейерном бремсберге верхнего слоя и в вентиляционном бремсберге нижнего слоя на расстоянии соответственно 100 и 75 м от проходческого забоя. Наблюде -ния проводились в течение 9 месяцев, до начала очистных работ.
Б период отработки пласта к12 инструментальные наблюдения за смещениями пород начали проводиться одновременно во всех четырех слоевых выработках. Для этого в каждой выработке установили контурные реперные станции.
В конвейерном и вентиляционном бремсбергах нижнего слоя установили по одной полной контурной реперной станции и по 6 станций упрощенного типа с 41 замерным сечением. Общая протяженность исследуемого участка в каждой выработке составила 320-330 м, минимальное приближение станций к лаве - б м.
В выработках верхнего слоя установили 8 реперных станций упрощенного типа с 4-5 замерными сечениями в каждой и одну полную станцию. Станции удалены от лав на расстояние до 150 м. Всего оборудовано 80 замерных сечений. Наблюдения продолжались 460дней.
Схема расположения замерных станций показана на рис.2.15.
В начальный период обнажения горного массива в результате проходческих работ наблюдается резкое увеличение скорости смещений в выработках верхнего и нижнего слоев (рис.2.16), По истечении двух месяцев смещения стабилизируются и протекают с постоянной интенсивностью. В выработке нижнего слоя преобладали смещения почвы (табл.2.3), деформации угольного контура выработки практически отсутствовали (0,02 мм/сутки).
В выработке верхнего слоя (рис.2.17) смещения пород наблюдаются по всему контуру, причем, деформации боков и почвы выработки происходят с одинаковой интенсивностью. Необходимо отме -тить, что скорость конвергенции несколько выше, чем в нижней выработке. Это объясняется влиянием очистных работ соседнего участка.
Таким образом, вне зоны влияния очистных работ интенсивность вертикальных смещений равна 0,17-0,25 мм/сутки. Система "крепь-массив" находится в достаточно устойчивом равновесном состоянии, способном обеспечить удовлетворительные условия поддержания ело участке № 2 одинарными лавами выработки нижнего слоя непосредственно на-драбатывались лавой верхнего слоя. Однакових фланговое расположение относительно очистных забоев снижает интенсивность смещений, в результате чего зона влияния очистных работ сократилась до 150 м. Характер распределения интенсивности смещений такой же как в центральной выработке на участке № 3, но величина смещений в зоне активного влияния очистных работ в 2 раза меньше (рис. 2.18). Здесь также наблюдается преобладающее влияние на деформацию пород лавы верхнего слоя. Суммарные смещения в зоне ее опорного давления в 2,5 раза больше, чем в зоне опорного давления у лавы нижнего слоя.
Результаты наблюдений за контурной реперной станцией показали (рис.2.19), что независимо от концентрации очистных работ в нижних слоевых выработках доля пучения почвы высока и составляет 90$ от вертикальных смещений.
Выработки верхнего слоя. Сокращение линии очистного забоя в 2 раза (по сравнению со спаренными лавами) приводит к значительному уменьшению деформации пород в верхних выработках. Общая величина смещений в зоне влияния очистных работ составила 250 мм, а максимальная скорость смещений - 9,4 мм/сутки (рис.2.20). Смещения кровли и почвы происходят с одинаковой интенсивностью, интенсивность смещений боков несколько меньше (рис.2.21). СЛОЯ
При подготовке пласта к отработке конвейерный штрек нижнего слоя расположен таким образом, что непосредственно надрабатыва-ется лавой верхнего слоя. Вентиляционная выработка находится в массиве угля. При приближении очистных работ в обеих выработках усиливали крепи путем установки средней гидростойки типа ГС под металлическую арочную крепь. Протяженность усиленной крепи равна 5 м. Непосредственно у лавы нижнего слоя на расстоянии 5 м металлическая арочная крепь демонтировалась и устанавливалась гидро -стоечная крепь (три гидростойки под деревянный верхняк) с шагом крепи, равным 0,5 м.
Гидростойки устанавливались непосредственно на почву выра -ботки без каких-либо опор, вследствие чего объем подрывки в зо -нах опорного давления был значителен. Паспорта крепления выработок показаны на рис.2.22; 2.23.Шахтные наблюдения проводились после отработки столба на длину 240 м.Б конвейерн-ом и вентиляционном штреках нижнего слоя для наблюдения за смещениями горных пород были оборудованы по 2 замерных контурных станций с 5-ю замерными сечениями на каждой.Первая установлена на расстоянии 100 м, вторая - 250 м от лавы нижнего слоя.В конвейерном штреке в зоне надработки лавой верхнего слоя,
Результаты исследований на моделях
Для изучения характера проявления горного давления опережение верхнего слоя относительно нижнего изменялось от 20 до 60 м. Как показали натурные исследования при опережениях более 60 м характер и значения смещений пород впереди лавы верхнего слоя остаются постоянными.
При отработке верхнего слоя модели значение первого шага обрушения составило 60 м. Затем приступили к отработке нижнего слоя с интервалом опережения верхнего слоя в 60 м. По данной схеме отработано 70 м в пересчете на натуру.
Первый шаг обрушения основной кровли составил около 100 м (рис.3.3), высота обрушения достигла 50 м, на высоте 70 и образовалась горизонтальная трещина. При дальнейшей одновременной отработке двух слоев с опережением верхнего слоя в 60 м шаг обрушения непосредственной кровли стабилизировался и был равен 10-20 м. Образование трещин в основной кровле происходит при удалении лавы верхнего слоя на 20-25 м, и шаг обрушения первых слоев основной кровли мощностью до 5-8 м равен 30-35 м (рис.3Л). Вторичные осадки основной кровли произошли при удалении очистных работ на 70-75 м. Угол бокового откоса при обрушении составил 55-60.
Изменения напряженного состояния массива при отработке пласта происходят уже на расстоянии 150 м от лавы нижнего слоя, впереди очистных работ (рис.3.5). максимальное значение опорного давления под лавой верхнего слоя равно 0,09 МПа, у лавы нижнего слоя - 0,065 МПа, а зона опорного давления соответственно -60 м и 25 м. Между лавами образовалась зона разгрузки в 20-25 м. В выработанном пространстве минимальные напряжения равны 0,012 МПа, а зона разгрузки - 90 м.
Таким образом, зона опорного давления у лавы верхнего слоя в два и более раз больше, чем у лавы нижнего слоя. Коэффициент концентраций напряжений в почве пласта достиг значений: К = 2,8 под лавой верхнего слоя; = 2,01 - у лавы нижнего слоя. Значение максимальных напряжений под лавой верхнего слоя оказались в 1,4 раза больше.
При опережении между слоями, равном 50 м, характер обрушений пород кровли остается практически неизменным. Высота вторичных осадок основной кровли при этом равна 70 м (рис.З.б). Несколько изменился характер распределения напряжений в зоне опорного давления (рис.З.5). Зона опорного давления впереди лавы верхнего слоя равна 50 м, а у лавы нижнего слоя -Юм. Коэффициент концентрации напряжений в почве пласта у лавы верхнего слоя (К = 2,4-8) оказался в 1,54 раза больше, чем у лавы нижнего слоя, в зоне опорного давления. Зона разгрузки за лавой нижнего слоя равна 130 м.
Таким образом, уменьшение опережения между слоями с 60 до 50 м способствует уменьшению зоны опорного давления в массиве впереди лавы верхнего слоя в 1,2 раза, а максимального напряже -ния - в 1,13 раза.
При опережении между слоями, равном 40 м, шаг обрушения основной кровли (вторичные осадки) составляет 50-55 м. На расстоянии 180 м произошло оседание кровли на всю высоту модели (рис.3.7), т.е. при длине отработанной части столба, равной 180 м и более, происходит плавное оседание кровли. Напряжения на этом участке близки к напряжениям в ненарушенном массиве.
Уменьшение шага обрушения основной кровли уменьшает длину зависающей консоли, вследствие чего концентрация напряжений уменьшается под лавой верхнего слоя в 1,2 раза, у лавы нижнего слоя - в 1,05 раза (рис.3.5).
Зона опорного давления у лавы верхнего слоя увеличивается до 60 м, у лавы нижнего слоя - до 15 м. Зона разгрузки в выработанном пространстве составляет 120 м.
При опережении между слоями в 30 м шаг обрушения первых слоев основной кровли равен 30-35 м. Дальнейшее обрушение основной кровли происходит до высоты 70 м (рис.3.8) с образованием горизонтальных и вертикальных трещин вторичного обрушения на высоте 100 м от пласта. В зоне опорного давления у лавы верхнего слоя наблюдается некоторое уменьшение максимальных напряжений в почве пласта (рис.3.5). Это объясняется уменьшением зависоющей части пролета пород. Однако необходимо отметить, что зона опорного давления впереди очистных работ больше, чем при опережениях между слоями, равных 60-40 м, и составляет 70 м. Уменьшение пролета приводит к зависанию пород основной кровли между слоями, силовое влияние которых способствует образованию видимых трещин и распространяется на большее расстояние.
Уменьшение опережения до 20 м приводит к некоторому увеличению концентрации напряжений в зонах опорного давления (рис.3.9). Основная кровля между лавами верхнего и нижнего слоев подвержена упруго-пластическим деформациям.
На основании выполненных лабораторных исследований построены графики изменения параметров опорного давления в зависимости от опережения между слоями (рис.3.10). С уменьшением опережения от 60 до 30 м коэффициент концентрации напряжений уменьшается. Дальнейшее уменьшение опережения приводит к увеличению напряжений в зонах опорного давления.Рис.ЗЛО. Влияние опережения на параметры опорного давления: I - концентрация напряжений у лавы нижнего слоя; 2 - концентрация напряжений у лавы верхнего слоя; 3 - размер зоны опорного давления
Метод прогнозирования смещений вмещающих пород слоевых выработок
На основании экспериментальных и аналитических исследований проявления горного давления при двухслоевой разработке мощных пластов в нижних слоевых выработках в зависимости от положения очистного забоя выделены наиболее характерные зоны, в каждой из которых развиваются определенные деформации горного массива.
Конечные смещения за весь срок службы слоевых выработок ела гаются из суммарных смещений, развивающихся в характерные периоды их поддержания.где l/o - смещения вне влияния очистных работ;1/в/! - смещения в зоне влияния очистных работ.
В слоевых выработках смещения в зоне влияния очистных работ слагаются из следующих составляющих:где L/i - смещения в зоне пассивного влияния очистных работ, мм; L/? - смещения в зоне опорного давления от верхней лавы, мм; L/ - смещения от влияния нижней лавы (между лавами верхнегои нижнего слоев), мм. Смещения вне зоны влияния очистных работ будут равны /61/ где л" - коэффициент концентрации напряжений, при неустойчивых породах можно принимать равным 1,2; f - плотность вышележащих пород, кг/м3; сС - угол падения пласта, град; Za - радиус выработки, м; Z - радиус пластической зоны, м; Q - грузонесущая способность крепи, МПа; С$ - предел текучести пород почвы, МПа; /I - коэффициент бокового распора пород; Н - глубина разработки, м;
А - коэффициент вязкости в момент времени , МПа.сут.; - время существования выработки до начала влияния очистных работ, сут. Размер пластической зоны определяется по методу Н.А.Вагина /32/ из выражения
Коэффициент вязкости пород в любой момент времени определяется по формуле (2.2) /61/где д - коэффициент вязкости при —0\ К І - порядок степени; d , 6 - безразмерные коэффициенты. Значения коэффициентов 0 , cf , ё , х для различных типов пород принимаются по табл.1 /61/.В данном методе прогнозирования, при = I все расчеты упрощаются. Формулы имеют следующий вид:
Для эффективного использования этого метода необходимо учитывать степень и характер влияния следующих факторов:- напряженное состояние массива в окрестности слоевых выработок в зоне влияния очистных работ, выраженное через коэффициент концентрации напряжений ;- расширение пород почвы в зоне интенсивного пучения, выраженное через коэффициент расширения пород - Кр ;- сопротивление гидростоечной крепи, выраженное приращением смещений (ziZ/) при увеличении сопротивления крепи на zj Д
Влияние очистных работ в расчетной формуле (4.9) учитывается коэффициентом концентрации напряжений 5 из таблицы 4.3, который также вводится при определении размера пластической зоныгде Zi - размер пластической зоны на / - ом участке выработки;j3- - коэффициент концентрации напряжений на / - ом участке выработки.Тогда для расчета смещения пород i/T , U- , iJg формула (4.9) примет вид
При Определении СМещеНИЯ В ЛЮбОЙ ТОЧКе ЗНачеНИЯ j& 1& /Српринимаются средними для данной зоны. Для этого необходимо их выражения проинтегрировать в пределах исследуемой зоны.
Подставляя для каждой зоны соответствующие значения j&i pj A U определяем смещение в пределах зоны. В целях упрощения вычислительных работ построены номограммы для определения размера пластической зоны (рис.4.10). Для определения величины "Б" построена шкальная номограмма из выравненных точек для величины wZw- прямолинейная абак Декарта /90/.Во фланговых выработках при непосредственной надработке лавой верхнего слоя характер деформации пород по результатам экспериментальных исследований сохраняется тот же, что и в центральной выработке, только интенсивность смещений меньше. Поэтому для использования расчетной формулы (4.12) вводится поправочный коэффициент уменьшения смещений / у .
Для зоны I - Ку - 0,22; зоны П - /Су = 0,6; зоны Ш - Лу = = 0,8.Тогда общее смещение в зоне влияния очистных работ будет равноПри расположении фланговых выработок под целиком, где нет влияния непосредственной надработки верхней лавы, смещения в зоне влияния очистных работ равныРис Л.10. Номограмма определения размера пластичесной зоны
Для оценки надежности принятой методики расчета смещений пород в слоевых выработках в зоне влияния очистных работ произведено сопоставление расчетных значений смещений со смещениями по данным натурных наблюдений в выработках нижнего слоя пласта Kj2 на шахтах им.Костенко, "Майкудукская", им.50-летия Октябрьской революции, проведенными КПТИ, КНИУИ и Казахским филиалом ВНИМИ /29,49,74,89,97/.
Результаты сопоставления, приведенные в таблице 4.4 свидетельствуют о том, что отклонения расчетных значений смещений от натурных составляют в среднем Ю-12%, т.е. находятся в пределах погрешностей количественной их оценки как расчетного, так и нату рного методов.Выводы
Разработан метод прогнозирования смещения вмещающих пород слоевых выработок на основе комплексных исследований напряженно-деформированного состояния горного массива впереди очистных забоев с использованием численного решения задачи на ЭВМ.
Установлено оптимальное опережение забоя верхнего слоя (35-40 м), при котором горный массив в окрестности слоевых выработок подвергается наименьшим деформациям в зоне опорного давления.
По характеру распределения напряжений нижние слоевые вырабо тки разделены на три зоны, для каждой из которых установлена функциональная зависимость изменения концентрации напряжений от расстояния до очистного забоя.
Метод прогнозирования смещения пород в зоне влияния очистных работ разработан с учетом влияющих факторов: изменения концентрации напряжений вдоль продольной оси слоевых выработок; ко