Введение к работе
Актуальность проблемы. На современной этапе развития уголь-юй промышленности Украины повшение производительности труда в >трасли с одновременным улучшением основных технико-экономиче-ясих показателей, условий.труда и техники безопасности наиболее геено связано с репеииеы проблемы обеспечения устойчивости ка-титальных и подготовительных горных выработок. Это особенно истуально, поскольку в настоящее время, например, в Донецком 5ассейне трудоемкость поддержания выработок составляет в средам 70-90 чел.-смен на 1000 т добываемого угля. Причем до 15-2055 іротяяенностн выработок не соответствует требованиям правил бе-юпасности, а на ряде шахт со сложными горно-геологическими ус-товиями приходится ежегодно ремонтировать до 30-40% их общей донны, что обуславливает значительные материальные затраты и зтвлечеше* трудовых ресурсов в больпом объеме. Вместе с тем успешное решение проблемы повышения устойчивости горных выра-Sotok связано не только с созданием и внедрением надежных и экономичных видов крепей и средств механизации их возведения, но и в значительной, степеня с наиболее полным учетом напряаен-«о-дефораированного состояния породного массива в окрестности горной выработки и установления на этой основе рациональных ре-кимов взаимодействия крепи с породным массивом. Поэтому разра-5отка геомеханических методов управления состоянием вмещающего выработку породного массива и их реализация в новых конструкциях крепи представляет собой важную научно-техническую проблему.
Исследования выполнены в соответствии с целевой комплексной программой РН.Ц.00І "Соверзенствование технической базы топливно-энергетического комплекса и повышение эффективности использования энергоресурсов" (Энергокомплекс), утвержденной Постановлением Госплана УССР W 3 от 28.01.1981г.; ЦКШ J? 13 "Совершенствование горно-подготовительных работ на основе более зирокого применения и улучшения использования производительных технологических процессов, машин и средств крепления, создания в внедрения новых способов я средств проведения, крепления, охраны и поддержания выработок", утвержденной,Первым заместителем Министра угольной промышленности СССР № 2-35-14/250 от 15.06.81г.; отраслевой программой "Разработать и освоить в про-
изводстве вяжущий матеріал на основе фосфогипса, технологию и механизацию его применения на угольных шахтах для поддержания горных выработок", разработанной в соответствии с Постановлением ГКНТ № 535 от 31.12.86г., приказа Мннуглепрома СССР и Гос-гортехнадзора СССР І30/І0І от 26.06.87г. и утвержденной Первым заместителем Министра угольной промышленности СССР № І4-2-П/555 от 08.07.87г.; тематическим планом госбюджетных работ Ыинуглепрома СССР "Техкомплекс механизированной доставки с поверхности и укладки компонентов твердеющих смесей для крепления и охраны горных выработок с использованием различных видов транспорта", утвервденным Постановлением Госстроя СССР $ 248 от 21.10.87г. и "Разработать нормативные документы для проектирования и рекомендации по повышению научно-технического уровня проектирования предприятий угольной промышленности", утвержденной "Центрогнпрошахтоы" $ 20/07-309 от 24.02.86г. Работа является составной частью исследований, выполненной по хоздоговорным темам (номера госрегистрации тем 76084084, 01840025543, 01880069343, 01870024394, ОІ9І0004ІІ8).
Целью диссертационной работы является разработка научно обоснованных ыэтодов уярмлення pcsuusis; Езакыодействкя системы "массив-крепь" для создания и расчета высокоэффективных крепей горных выработок, обладающих возыозшостью регулирования состоянием породного массива и крепи путем реализации в ее конструкции принципа адаптации к характеру проявлений горного давления.
Основная идея работы заключается в совмещении процессов управления состоянием породного массива и крепи посредством регулирования ее.деформационно-силовой характеристики с покощьэ управляющих элементов.
Методы исследований. Поставленная в диссертационной работе цель достигнута на основе применения комплексного подхода, включающего анализ и обобщение опыта крепления горных выработок, существующих методов прогноза проявлений горного давления; аналитических исследований с использованием методов механики твердого деформируемого тела, механики подземных сооружений, строительной механики и теории вероятности и математической статистики; лабораторные исследования с использованием положений теории подобия; исследования в натурных условиях.
Научные положения, защищаемые в диссертации:
эффективность управления режимами взаимодействия системы 'массив-крепь", базирующегося на критериях выбора рациональной деформационно-силовой характеристики крепи, зависят от степени іеализации ее адаптивных свойств применительно к конкретным гор» ю-геологическим условиям и определяется возможностью регулиро-іания механическими и геометрическими параметрами узлов конст-укцни с помощью специальных управляющих элементов;
деформирование системы "массив-крепь" в определенных гор-о-геологнческих условиях характеризуется тем, что часть объема сродного массива в зоне неупругих деформаций может быть выведе-а из предельного равновесного состояния и при потери устойчивости существенно изменяет величину и характер распределения на-рузки на крепь; этот процесс имеет место при следующих условиях:
^. Ов/г?.
статочная прочность пород о^ в зоне руинного разрушения lej" ^ 0,О6^с, усредненная по периметру реакции крепи ^ 00 кПа (здесь беж. - предел прочности ненарушенных пород на дноосное сжатие);
- в условиях неустойчивого предельного состояния части
бъема пород в зоне неупругих деформаций образуется свод пре-
ельного равновесия, на размеры и форму которого оказывает эна-
ительное влияние величина и характер распределении по контуру
ыработки реакции крепи; прн этой установлено, что ианшальная
агрузка на крэпь от веса пород внутри свода предельного равно-
всия достигается при достаточно постоянной (для однородных вмэ-
ащшс пород) характере распределения реакции крзпя по контуру
ыработкн .
-~^ -1+(0,62 + 0,65)$inG-(0Al+0,32)coj в
РД Q(6) и Qg - функция распределения рациональной реакции ропл по контуру выработки и равнонэряая составляющая реакции рэпа соответственно; 0 - угловая координата контура), кото-ай и является рациональным;
- деформационно-силовая характеристика монолитных крепей
зриых выработок в значительной степени зависит от анизотропии
жанических.свойств их материалов не только по толщине, но и
) периметру, что позволяет (при ее регулировании), во-первых, >лее полно удовлетворять критерии равнопрочности крепей (и по-
выдать, тем самым, их несущую способность) и, во-вторых, достигать рациональной функции распределения реакции по контуру выработки;
- повышение несущей способности рамных крепей и достиже
ние рациональной функции распределения реакции крепи по конту
ру выработки реализуется с помощью специальных управляющих эле
ментов при условии попеременного чередования максимумов изгиба
ющего момента разных знаков и их равенства между собой по абсо
лютной величине.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации обусловлена: корректной постановкой задач; использованием фундаментальных положений механики подземных сооружений и механики твердого деформируемого тела, методов теории вероятности и математической статистики; удовлетворительной сходимостью результатов аналитических, лабораторных и натурных исследований (отклонение экспериментальных и расчетных зависимостей при определении нагрузки на крепь, испытании рамночптанговых и штанговых крепей не превышает, как правило, 20-25$ при надежности 0,95); положительным опытом внедрения основных результатов работы.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработан новый подход к- выбору высокоэффективных конструкций крепей горных выработок и расчету их рациональных параметров, базирующийся на предпосылках структурно-логического анализа, объединяющего методы прогноза проявлений горного давления и расчета деформационно-силовой характеристики крепи посредством критериев достижения рациональных режимов взаимодействия системы "массив-крепь", реализация которых осуществляется с помощью управляющих элементов, заложенных в конструкции крепи;
создан новый комбинированный метод определения нагрузки на крепь горной выработки для условий неустойчивого предельного состояния части объема пород в зоне неупругих деформаций, учитывающий неравномерный характер распределения реакции крепи по контуру выработки, на базе которого получены новые уравнения связи размеров зоны обрушения, нагрузки на крепь от веса пород этой зоны с функцией распределения реакции крепи по контуру выработки, являющиеся основой для последующего выбора рациональных режимов взаимодействия системы "массив-крепь";
сформулированы и дана геометрическая интерпретация новым критериям выбора рациональных режимов взаимодействия системы "массив-крзпь": критерий формирования минимальной нагрузки предполагает рассмотрение процесса взаимодействия элементов системы в трехмерной постановке, где третьим измерением является периметр крепи (контура) горной выработки; критерий равнопрочное крепи определяет условия снижения интенсивности поля напряжений в ее материале с помощью управляющих элементов;
впервые разработана модель расчета напряженно-деформированного состояния монолитно^ крепи горных выработок с анизотропией деформационных характеристик как по толщине, так и по периметру крепи, на основе которой решена задача снижения интенсивности поля напряжений в ее материале;
. - впервые решена задача о напряженно-деформированном состоянии класса беззамковых штанг в трехмерной постановке; при этом установлено, что потеря несущей способности штанги по фактору прочности ее закрепления в шпуре может произойти не только от действия касательных напряжений по поверхностям контактов, но и от действия осевых растягивающих напряжений' в породных стенках ипура.
Значение работы. Научное значение работы состоит в установлении закономерностей влияния регулируемой деформационно-силовой характеристики крепи на параметры состояния породного массива в окрестности горной выработки и создании на этой основе методов управления режимами взаимодействия системы "массив-крепь". Практическое значение работы заключается в создании метода прогноза проявлений горного давления; новых эффективных конструкций крепей и их элементов; методических материалов по расчету геомеханических, конструктивных и технологических параметров применения разработанных новых технических решений, а также в использовании полученных результатов в рабочей документации крепления и охраны горных выработок при проектировании н эксплуатации угольных шахт.
Реализация результатов исследований. Основные положения работы использованы в следующей отраслевой нормативно-технической, технической и методической документации: типовые материалы для проектирования "Сечения горных выработок, закрепленных металлической арочной шатровой крепью для условий шахт Западного Дон-
басса" (утверждены Минуглепромом СССР: технические решения в 1984г.,'таловый проект в 1990 г.); техническое задание на комплекс вспомогательного' оборудования процессов торкретирования КВШТ (утверждено минуглепромом СССР, 1989 г.); рабочая документация на серийное производство опорных плит для крепи из спец-профиля: ОПК I, ОПК 3 и 0Щ 4 (технические условия ТУ 12.54 10775.003-87); рабочая документация на серийное производство крепи шатровой из спецпрофиля ШС 2 (технические условия 17 12.5410775.002-87); "Нормативные документы для проектирования и рекомендации по повышение научно-технического уровня проектирования угольной промышленности" (утверждены Минуглепромом СССР, 1987 г.); "Временное руководство по применению трубчатой штанговой крепи" (утверждено объединением "Торезантрацит", 1986 г.); "Временное руководство по расчету параметров тампонажа закрепно-го пространства горных выработок твердеющими смесями" (утверждено объединением "Павлоградуголь", 1989 г.); "методика расчета рациональных параметров крепи из двутавровых балок" (утверждена институтом ДЛИ и институтом "Днепрогипрошахт", 1991 г.); "Методика расчета параметров рамно-анкерной крепи" (утверждена инсти-
«к/то»*** Л Г* 1^ т# *П*»Аг»гчл«і*'тр-іл«иіЛ'«»іи'' TOOT ft \ IWftntw иотАї^но w*t ww«*
проектирования "Технологические схемы тампонажа закрепного пространства горных выработок быстротвердещими смесями" (утверждены Госстроем СССР, 1991 г.).
Для повышения устойчивости горных выработок, и снижения материалоемкости их крепей разработаны, защищены авторскими свидетельствами и проведены опытно-промышленные испытания рациональных конструкций штанговых, рамных, рамно-штакговых крепей с объемом изготовления в объединениях "Торезантрацит" и "Павлоград-уголь" более 5000 комплектов.
Для полной механизации процессов приготовления и укладки быстротвердеющих смесей при возведении крепежных и. охранных конструкций горных выработок разработаны, защищены авторскими свидетельствами, проведены стендовые и опытно-промышленные испытания комплекса вспомогательного оборудования процессов торкретирования.
Результаты работы внедрены: .
- в рабочую документацию строительства и реконструкции шахт с годовым экономическим эффектом I960 тыс.руб. (долевое участие
соискателя - 795 тыс.руб.);
на шахтах им.Лутугина и "Восход" ПО "Торёзантрацит" внедрена технология возведения, трубчатых штанг, взрывным способом с годовым экономическим эффектом 12 тыс.руб. на I км выработки (долевое участие соискателя - 8,4 тыс.руб.) в ценах 1990 г.;
на шахтах 110 "Павлоградуголь" закреплено 3150 м выработки крепями КШС-І и КШС-2 с получением годового' экономического эффекта 172 тыс.руб. (долевое участие соискателя— 43 тыс.руб.).
Апробация работы; Основные положения 'диссертации доложены и одобрены.на Ш и У всесоюзных семинарах "Аналитические методы и применение ЭВМ в механике горных пород". (Новосибирск, 1980, 1985); республиканской научно-технической конференции: "Совершенствование способов охраны и средств крепления горных выработок глубоких горизонтов шахт" (Киев, 1979); межотраслевом семинаре "Комплексная механизация проходческих работ при- подготовке горизонтов и реконструкции шахт" (Челябинск,' 1980); всесоюзной школе "Применение средств контроля и обеспечение устойчивости, кровли горных выработок, и целиков"' (Кентау, 1980);'ХШ отраслевой научно-технической конференции молодых ученых (Кривой Рог, 1978); Ш и ІУ конференции "Молодые ученые - научно-техническому прогрессу в угольной'промышленности" (Донецк, 1980, 1984); УП и X республиканской научно-технической конференции молодых.ученых и специалистов по вопросам совершенствования добычи и переработки горючих сланцев (Кохтла Ярве, 1984, 1989); УП семинаре по исследованию горного давления и способов охраны капитальных и подготовительных выработок (Владивосток, 1980); ХІУ конференции молодых ученых "Физико-технические проблемы разработки и обогащения твердых полезных ископаемых" (Ыоскза, 1985); республиканской конференции молодых ученых по проблемам разработки месторо?кдений полезных ископаемых (Днепропетровск, 1984); Ш всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых (Свердловск, 1986); всесоюзнеп научно-технической конференции по проблемам развития Норильского, горно-металлургического комбината-(Норильск, 1988); на II Всесоюзной научно-технической,конференции "Состояние и перспективы применения мягких оболочек на подземных горных-работах" (Днепропетровск, 1991); НТС ПО "Торез-антрацит", "Павлоградуголь" (І978-І99І).
Публикации» По теме' диссертации опубликовано 78 работ, в тон числе получено 20 авторских свидетельств на изобретение. Основное содержание диссертации отражено в 35 статьях и 19 изобретениях.
Структура и объем диссертации. Диссертации состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы я приложений, Она содержит 408 страниц машинописного текста, 91 рисунок и 12 таблиц.
Автор выражает глубокую признательность чл.-корр. Академии горных наук Украины, д.т.н., проф. Усаченко Б.ІІ. и д.т.н., проф. Баранову Е.Г. за консультации и постоянное внимание к работе.
