Введение к работе
Актуальность работы. Концепцией развития и размещения шахтного фонда Украйни до 2005 года предусматривается научно обоснованное отношение к использованию запасов угля и ловьшению эффективности использования основных фондов угольных предприятий.
Переход в последние годы на отработку пластов с более сложными горно-геологическими условиями привел к ухудшению состояния горных выработок., увеличению потерь запасов угля и к необходимости поиска новых научно обоснованных технических решений. Не-' благоприятной формой проявления горного давления в условиях шахт
Западного Донбасса является интенсивная конвергенция горных выработок. Ехегодно з этих условиях перекрепляется около 20 км горных выработок, подрывается до 130 км. На поддержание горных выработок используется около 10."J подземных рабочих.
Резкое увеличение размеров охранных.целиков с увеличением глу
бины ведения горных работ при слабых боковых породах с одной сто
роны усугубляет условия проявления горного давления и осложняет
отработку других пластов, а с другой - приводит к увеличению по
терь угля в недрах, трудоемкости и материалоемкости горных ра
бот. . -
Практика показывает, что положительные и эффективные решения по подземной добыче угля, разработанные учеными ведущих научно-исследовательских, учебных и проектных институтов страны для указанных горно-геологических условий, при переходе горных работ на большие глубины (более 350 м ) не позволяют эффективно поддерживать магистральные выработки в эксплуатационном состоянии. В этой связи более полные исследования условий, механизма и. закономерностей проявления горного давления при ведении горных ра-
бот в слабых ыетаморфизовашх породах и разработка на их основе новых технических решений, обеспечивающих охрану выработок и увеличение полноты виемки, угля в услопиях шахт Западного Донбасса, является актуальной ггроблемой. На со резение направлена настоящая работа, которая выполнена в период многолетней производственной деятельности автора и соответствует тематике исследований, определяемой директивными органами и Минуглзпромам Украины.
Целыо работы япляется установление закономерностей изменения состояния нарушенных горными работами слабых метаморфизованных пород и разработка на их основе технических решений обеспечения длительного яксплуатационного состояния выработок для эффективной добычи угля в условиях шахт Западного Донбасса.
Идея работы заключается в направленном изменении процессов деформирования и разрушения пород вокруг выработки отпором крепи, базирующемся на использовании естественной податливости и несущей способности связнонарушенных пород в приконтурной области.
Методы исследований. Поставленная цель достигнута комплексом исследований, включалщих системный анализ и обобщение современных научно-технических достижений в области прогнозирования, ограничения и предотвращения проявлений горнего давления з выработках; визуальные наблюдения и инструментальное измерения проявлений горного давления; аналитические методы исследования с использованием положений механики сплошной среды и механики горных пород, математического моделирования; лабораторные и экспериментальные исследования; опытно-промышленные испытания в шахтных условиях.
Основные научные положения, защищаемые в диссертации и их новизна.
I. Аналитическими исследованиями на базе многочисленных шхт-ных инструментальных измерений установлено, что смещения контура
5'
выработок наиболее полно описываются полуимперическими экспонен
циальными зависимостями, впервые полученными на базе теории размер
ностей и отличающиеся комплексным учетом свойств пород,«размеров
выработки, глубины её заложения и времени существования, отпора
крепи и вида проводимых работ по поддержании, горного давления и
нарушенносги пород,
-
Условия устойчивости выработок характеризуются обобщенным сдвигом и сжатием пород, определяются показателем Надаи-Лоде и обеспечиваются при коэффициенте бокового отпора Д. ^. 0,75, ограничены по глубине для слабых пород'до 350 м: впервые установлено, что с увеличением глубины работ деформирование пород переходит в условия обобщенного сдвига и растяжения, неблагоприятные для поддержания выработок, чем и обусловлено ухудшение их эксплуатации для шахт Западного Донбасса.
-
Установлена новая закономерность повышения устойчивости выработок путем перевода деформирования пород в режим сжатия, которое достигается за счет увеличения отпора крепи в пределах 0,4--2,0 МПа»
-
Шахтными наблэдениями установлено, что в условиях подхода, отхода и перехода очистными работами области расположения маги -стральных выработок дополнительное увеличение в 1,5-2,0 раза отпора крепи обеспечивает сохранность их сечения не менее, чем на 40 t и дальнейшую эксплуатацию в разгруженной зоне. Это позволило разработать новый способ подготовки и отработки выемочного уча^ стка, отличающийся полной бесцеликовой выемкой угля и сохранением эксплуатационной способности разгружаемых выработок. -
-
Шахтные измерения и моделирование показали, что деформирование пород вокруг выработки сопровождается развитием в течение 5-7 месяцев на глубину более 5 м зоны разрушенных пород, обу-
словленным разностью компонент напряжений и периодической разгрузкой фронта разрушения, и наиболее интенсивно проявляется (изменение скорости деформирования в 3-20 раз)-при наличии свободной 'поверхности (например, при отсутствии контакта крепи с массивом). Установленная закономерность деформирования пород положена в основу новых способов поддержания горных выработок жесткими замкнутыми крепями, которые позволяют в 8-10 раз увеличить срок их безремонтной эксплуатации.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью постановки и решения задач с применением фундаментальных положений механики . твердого деформируемого тела, горных пород и сплошной среды; результатами шахтных исследований деформирования и разрушения пород во времени и пространстве; результатами лабораторных стендовых сравнительных испытаний объектов с разными параметрами и характеристиками; достаточной сходимостью прогнозируемых и натурных данных (расхождение не превышает 30 *); положительным опытом использования разработанных технических решений при ведении горных работ в условиях Западного Донбасса и внедрении их в промышленность.
Научное значение работы заключается в установлении закономерностей изменения режима деформирования и разрушения пород в зависимости от их свойств и нарушенности, условий крепления, глубины ведения горных работ и горного давления и разработке на их основе полуимперического способа расчета смещений контура выработок с учетом вида работ по их поддержанию, срока эксплуатации и степени разрушения, а также научном обосновании технических решений повышения устойчивости горных выработок и увеличения полноты выемки угля в условиях слабых метаморфиэованных пород.
Практическое значение работы состоит в обосновании, разработке и внедрении способов и средств увеличения полноты выемки угля по новой технологии подготовки и отработки выемочнгх участков, устойчивости выработок и срока их безремонтной эксплуатации на базе крепления повышенной несущей способности, обеспевдваю-щих эффективную добычу угля на шахтах Западного. Донбасса.
Реализация работы.Основные научные положения, выводы и рекомендации по работе использованы в способах и средствах, реали-, зованных для повышения эффективности'ведения работ; возли составной частью в Инструкцию по поддержании горных выработок на шахтах Западного Донбасса (1994 г.), технические условия на производство новых видов крепей в условиях Першотравенского РМЗ. Всего по разработанным техническим решения обеспечена безремонтная эксплуатация свыше 9000 погонных метров выработок с получением экономического эффекта, исчисляемого э среднем около 200 гривень на погонный метр. Дополнительно при ликвидации или частичном извлечении охранных целиков добыто свыше 280 тысяч тонн угля.
Апробация работы. Основные положения и материалы диссертации на отдельных этапах'её выполнения докладывались, обсуждались и получили одобрение на: Всесоюзном научно-техническом совещании "Технология и механизация крепления подготовительных и нарезных выработок" (1991 г., г.Кривой Рог); Отраслевой научно-технической конференции "Прогрессивные решения по креплению и поддержании горных выработок" (г.Павлоград, J995 Г»)5 Международной кон~. ференции "Эффективная и безопасная подземная добыча угля на базе современных достижений геомеханики" (1996 г., Санкт-Петербург, Россия); Научной школе "Импульсные процессы в механике сплошных сред" (1996 г., г.Николаев); Международной научно-практической конференции "Проблемы гадрогеомеханики в горном деле и строитель-
стве" (1996 г., г.Киев); технических советах ПО "Павлоград-уголь" (I99I-I996 гг.); семинарах ИГТМ НАЯ Украины (1995~1996гг..), объединенном семинаре кафедр ДГРА (1997 Г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 2 брошюры, 33 печатных работы и получено II авторских.свидетельств на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 разделов и заключения, содержит 63 рисунка, 20 таблиц, список литературы из 147 Наименований и приложений. Она изложена на 173 страницах, общий объем работы 255 страниц.
Автор искренне благодарен и выражает глубокую- признательность Лауреату Госпремии Украины, Заслуженному изобретателю Украины, академику РАЕН, доктору технических наук, профессору А.Н.Зорину и академику АГН Украины, доктору технических наук, профессору О.В.Колоколову за постоянное внимание, ценные советы и научные консультации при выполнении и подготовке диссертации, сотрудникам ИГТМ НАНУ, ВНЙШ, НШОШС и ДонУГИ за содействие и помощь в проведении экспериментов, а также работникам всех организаций, принявших участие в совместном освоении и внедрении разработанных технических решений.
