Разработка методики прогноза нагрузок на крепь вскрывающих выработок и их сопряжений для угольных шахт северо-востока СССР Самохин Анатолий Васильевич

Содержание к диссертации

Введение

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ КРЕПЛЕНИЯ ШАХТ ОБЛАСТИ МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЫ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА НАГРУЗОК НА КРЕПЬ 10

1.1. Краткий обзор приближенных методов расчета нагрузок на крепь вскрывающих горных выработок 10

1.2. Практика крепления вскрывающих выработок и их сопряжений 17

1.3. Особенности поддержания горных выработок при различных тепловых режимах 22

1.4. Основная цель и задачи исследований 27

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ДОНАМИКИ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ШЛЕИ ВОКРУГ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ШАХТ ОБЛАСТИ МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЫ 30

2.1. Инженерный метод расчета размеров ореолов цротаивания в кровле горных выработок при положительном тепловом режиме 30

2.2. Физическое моделирование динамики протаивания пород вокруг сопряжений 32

2.3. Анализ результатов 43

Выводы 51

3. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ

ПОРОД И РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНОГО МЕТОДА ПРОГНОЗА ЗОН НАРУШЕНИЯ СПЛОШНОСТИ 53

3.1. Зависимость угла обрушения от величины ореолов протаивания для слабых пород 54

3.2. Зоны нарушения сплошности в окрестности выработок 56

3.3. Разработка инженерного метода прогноза ЗНС 65

Выводы 80

4. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАГРУЗОК НА КРЕПЬ ВСКРЫВАЩИХ

ВЫРАБОТОК И ИХ СОПРЯЖЕНИЙ 82

4.1. Общие положения. Область и условия применения 82

4.2. Основные расчетные указания 83

4.3. Расчет размеров ореолов протаивания 87

4.4. Расчет размеров ореолов протаивания на сопряжениях и закруглениях 92

4.5. Расчет зон нарушения сплошности 94

4.6. Расчет нагрузок на крепь и выбор параметров крепи горных выработок и их сопряжений 95

4.7. Расчет нагрузок на крепь на закруглениях и сопряжениях 96

4.8. Расчет камерной рамы 98

4.9. Примеры расчетов 98

Выводы 105

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ НА ШАХТАХ СЕВЕРО-ВОСТОКА СССР 106

5.1. Оценка достоверности предлагаемой методики . 106

5.2. Эффективность внедрения методики определения нагрузок на крепь 109

5.3. Внедрение методики и практические рекомендации . 114

Выводы 116

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 117

ЛИТЕРАТУРА 120

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 130

ПРИЛ0ЖЕНИЕ2 149

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 155

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 157

ПРИЛОЖЕНИЕ 5 159

Условные обозначения, принятые в тексте диссертации . 161

• Краткий обзор приближенных методов расчета нагрузок на крепь вскрывающих горных выработок
• Инженерный метод расчета размеров ореолов цротаивания в кровле горных выработок при положительном тепловом режиме
• Зависимость угла обрушения от величины ореолов протаивания для слабых пород
• Основные расчетные указания
• Оценка достоверности предлагаемой методики .

Введение к работе

Исследования проводились на угольных месторождениях Северо-Востока СССР, расположенных на территории Магаданской области и Якутской АССР. Месторождения разрабатываются шахтами и разрезами, входящими в состав производственных объединений "Северовосток-уголь" (шахты "Анадырская", "Беринговская", "Омсукчанская", "Ка-дыкчанская", "Кедровская") и "Якутуголь" (шахты "Джебарики-Хая" и "Сангарская") и характеризуются сложность⁴* горно-геологических и горнотехнических условий, суровым климатом, отсутствием развитой сети путем сообщения, собственной машиностроительной базы, что в целом ведет к большим затратам на освоение месторождений.

Северо-восточные районы по геологическим запасам угля занимают в СССР первое место, а добыча угля подземным способом к настоящему времени достигла уровня 2,52 млн.т в год, что составляет менее 1% отраслевого уровня добычи. С одной стороны, такое соотношение имеющихся запасов и уровня добычи полезного ископаемого объясняется перечисленными выше причинами и отсутствием развитой тяжелой промышленности, как основного потребителя угля, с другой - свидетельствует о возможности увеличения объемов добычи в десятки раз.

Направление на ускоренное развитие восточных районов страны, комплексное использование сырьевых ресурсов и развитие безотходной технологии, предусмотренное решениями ХХУІ съезда КПСС, в ближайшем будущем вызовет увеличение объемов добычи угля в этих районах. Уже в настоящее время начато строительство новой шахты на месторождении "Джебарики-Хая", реконструируются шахты "Беринговская" и "Сангарская".

Одним из основных направлений повышения эффективности добычи угля является оптимальный выбор типов и параметров крепи протяженных выработок и их сопряжений. Затраты на ремонт и поддержание горных выработок в условиях Крайнего Севера гораздо выше, чем в других районах страны. Транспортно-заготови-тельные операции составляют около 70/₀ стоимости материалов, среднемесячная заработная плата рабочих в 2,2 раза больше. Особенностью условий Крайнего Севера является также дефицит рабочей силы. Так, для ремонта и содержания вскрывающих выработок на шахтах Северо-Востока СССР в Х-й пятилетке ежегодно требовалось около 60 рабочих.

Отсутствие нормативных документов по расчету нагрузок на крепь в условиях многолетней мерзлоты приводит к тому,что тип и параметры крепи выбираются на основании производственного опыта, не учитываются специфические особенности поддержания горных выработок в условиях многолетней мерзлоты. Выбранные значения зачастую далеки от рациональных, приводят к неоправданно высокому запасу прочности в одних условиях и увеличению объёма перекрепления в других. Эти обстоятельства и определили выбор темы данной работы. В соответствии с темой были намечены следующие направления исследований: установление зависимости размеров ореолов протаивания от тепловых потоков на участках сопряжений горных выработок, для чего необходимо создать моделирующую установку и разработать более совершенную, по сравнению с существующими, автоматическую систему измерений температур на моделях при решении трехмерных теплофизических задач, допускающей последующую обработку данных на ЭВМ; разработка инженерного метода прогноза зон нарушения сплошности (ЗНС) горных пород с учетом изменения напряженного состояния в окрестности выработок при протаивании и определение прочностных показателей, входящих в расчеты; разработка последовательности определения нагрузок на крепь с учетом размеров ореолов протаивания и требований СНиПа; внедрение результатов исследований в производство и оценка их технико-экономической эффективности.

Основой диссертационной работы послужили результаты исследований, выполненных автором в ИГДС СО АН СССР в 1980 -1984 годах в рамках темы "Разработать научные основы крепления и поддержания капитальных и подготовительных выработок в условиях многолетней мерзлоты" (Гос.регистрация № 80070053), в которых автор был ответственным исполнителем.

Методы исследований включали анализ и обобщение литературных и производственных данных, физическое моделирование на объёмных моделях, обработку результатов с привлечением методов математической статистики, прикладные методы механики горных пород, технико-экономический анализ результатов.

Обоснованность и достоверность научных положений обоснована достаточной сходимостью результатов моделирования и расчетов размеров ореолов протаивания на протяженных участках выработок, сравнением прогнозных нагрузок, рассчитанных по разработанной методике, с несущей способностью крепи выработок, находящихся в эксплуатации, показавшим хорошую сопоставимость.

Научная новизна работы состоит в следующем: получены расчетные зависимости для ореолов протаивания пород на сопряжениях горных выработок, в зависимости от тепловых потоков и величин ореолов протаивания на протяженных участках; разработан метод расчета размеров зон нарушения сплошности многолетнемерзлых скальных пород, учитывающий изменение напряженного состояния в окрестности выработок при наличии ореола протаивания; - разработана инженерная методика определения нагрузок на крепь вскрывающих выработок и их сопряжений.

Практическая ценность. Разработанные на основе исследований автора "Методические указания..." утверждены техническим управлением МУЛ СССР 23.04.84 г., результаты работы внедрены на шахтах "Сангарская" и "Джебарики-Хая" и в институте "Дальгипрошахт".

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложена на Иъ стр. машинописного текста, содержит is таблиц и чн рисунка. Список использованной литературы включает 77 наименований.

В первой главе дан анализ современного состояния вопроса, сформулированы цель и задачи исследований. Отмечается, что в существующих нормативных документах отсутствуют разделы по расчету нагрузок на крепь в условиях многолетней мерзлоты, а неучет специфических особенностей приводит к неоправданным затратам. Рассмотрены существующие методы расчета нагрузок на крепь и показана их недостаточность для рассматриваемых условий. Анализируются факторы, влияющие на устойчивость горных выработок в многолетнемерзлых породах.

Во второй главе приведены особенности разработанной нами качественно новой установки для физического моделирования теплофизических процессов вокруг горных выработок, позволяющей учитывать фазовые переходы влаги. Предложена автоматическая система измерений температур в 100 точках на базе ЦТМ-5 с регистрацией на цифропечатающем устройстве и ленточном перфораторе, что позволило при обработке данных воспользоваться ЭВМ СМ-3. Описан порядок проведения экспериментов на модели по изучению динамики температурных полей в окрестности Г-об- разного и У-образного сопряжений, получены расчетные формулы для определения ореолов протаивания.

Третья глава посвящена описанию инженерного метода прогноза размеров зон нарушения сплошности (ЗНС) с учетом изменения напряженного состояния пород при протаивании. Рассмотрено влияние изменения температуры на размер контура ЗНС. Для определения размеров зон нарушения сплошности использован метод упругого наложения, предложенный В.Ю.Изаксоном, модифицированный применительно к условиям многолетней мерзлоты. Составлен пакет прикладных программ по расчету контуров 3HG на ЭШ, произведены серийные расчеты.

В четвертой главе изложена методика определения нагрузок на крепь для шахт области многолетней мерзлоты, указана последовательность ведения расчетов. Описывается порядок учета специфических особенностей региона, влияющих на условия формирования аагрузок на крепь (наличие ореола протаивания, изменение прочностных характеристик в нем, тектоническая обстановка, засоленность горных пород). Необходимые данные для расчетов представлены в виде таблиц, графиков и номограмм. Приведены примеры расчетов.

В пятой главе показана технико-экономическая эффективность внедрения результатов выполненных исследований.

Диссертация и отдельные ее разделы докладывались на УП Всесоюзной конференции по механике горных пород (г. Днепропетровск, 1981 г.) [58], на УШ Всесоюзном семинаре "Исследование горного давления и способов охраны капитальных и подготовительных выработок" (г. Якутск, 1982 г.) [31 , на П Всесоюзной конференции "Проблемы механики подземных сооружений" (г. Тула, 1982 г.) [32] , на П семинаре по горной геофизике (г. Сухуми, 1983 г.) [331, на IX Всесоюзном семинаре "Исследование горного давления и способов охраны капитальных и подготовительных выработок" (г. Кемерово, 1984 г.), на технических советах ПО "Северовостокуголь" и "Якутуголь".

В 1983-1984 гг. на шахтах "Сангарская" и "Джебарики-Хая" при составлении паспорта по перекреплению вскрывающих выработок был произведен перерасчет параметров крепи по составленным нами "Методическим указаниям определения нагрузок на крепь капитальных горных выработок и их сопряжений для угольных шахт области многолетней мерзлоты". В результате расстояние между арками было рекомендовано увеличить на 0,25 м. Это привело к снижению расхода металла на 95 т, снижению трудоёмкости доставки и возведения крепи. По данным этих шахт получен фактический экономический эффект в сумме 64,6 тыс.руб. "Методические указания..." приняты к внедрению институтом "Дальги-прошахт" и использованы при проектировании реконструкции шахты "Беринговская" ПО "Северовостокуголь".

I. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ КРЕПЛЕНИЯ ШАХТ ОБЛАСТИ МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЫ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА НАГРУЗОК НА КРЕПЬ

Краткий обзор приближенных методов расчета нагрузок на крепь вскрывающих горных выработок

Разработка угольных месторождений Якутской АССР и Магаданской области ведется на протяжении шести десятилетий, за этот период накоплен определенный опыт в креплении и поддержании горных выработок, обобщен обширный экспериментальный и натурный материал по устойчивости выработок в зоне многолетней мерзлоты.

Вопросами крепления и поддержания горных выработок в этих условиях в различное время занимались: Авксентьев И.В., Андреев В#С., Андриенко В.И., Андрушкевич С,Г., Бакакин В,П., Вой-тковский К.Ф., Дядькин Ю.Д., Ельчанинов Е.А., Зильберборд А.Ф., Мороз В.Ф., Северьянов А.Н., Скуба В.Н., Чабан П.Д., Шувалов Ю.В. и многие другие. Все авторы, занимающиеся вопросами сохранения горных выработок в условиях многолетней мерзлоты, отмечали зависимость их устойчивости от температуры, влажности и строения пород. Известно, что мерзлые породы устойчивы при обнажении, поэтому долгое время на шахтах поддерживался естественный температурный режим, чтобы исключить вредное влияние теплого воздуха. При таком режиме в шахте устанавливался жесткий микроклимат, который оказывал отрицательное влияние на условия ведения горных работ и их эффективность [4, 8, 14, 15, 72]. В связи с этим, начиная с 1965 года на шахтах Северо-Востока стали подогревать воздух в зимнее время до умеренно отрицательных температур [14], а впоследствии было рекомендовано перейти на положительный режим [57]. В результате этого среднегодовая температура воздуха в шахтах повысилась, что привело к улучшению санитарно-гигиенических условий труда горнорабочих, к лучшему использованию проходческих, добывающих, транспортирующих средств, но в то же время к ухудшению поддержания горных выработок. При подаче теплого воздуха в шахту, в породах в окрестности выработки формируется зона протаявших пород, в которой прочность их уменьшается [10]. Поэтому все исследователи, занимающиеся вопросами определения нагрузок на крепь, учитывали наличие ореола протаивания и его влияние на устойчивость горных выработок. Отсутствие больших смещений контура выработки (не более 90 мм) [4, 5, 20, 56] позволило исследователям считать нагрузку на крепь равной весу некоторого объёма пород, отделившегося от массива в протаявшей зоне.

Инженерный метод расчета размеров ореолов цротаивания в кровле горных выработок при положительном тепловом режиме

Наиболее опасные проявления.горного давления наблюдаются на сопряжениях горных выработок. Площадь обнажения горных пород на сопряжениях-увеличена, кроме того здесь происходит взаимное тепловое влияние двух пересекающихся выработок, что ведет к увеличению ореола протаивания.

Изучение динамики протаивания в окрестности сопряжений требует решения объёмной теплофизической задачи. Несмотря на то, что приближенные математические методы решения подобных задач известны [39, 48, 50, 67, 68] попытки их реализации на ЭВМ приводят к большим затратам машинного времени, исключающим возможность широких многовариантных практических расчетов.

Натурные измерения кроме того, что длительны и трудоёмки, не могут охватить всего многообразия природных факторов, однако с их помощью возможна проверка надежности и достоверности аналитических расчетов или результатов моделирования. Наиболее эффективным методом исследования подобных задач теплообмена является физическое моделирование на объёмных моделях.

class3 ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ

ПОРОД И РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНОГО МЕТОДА ПРОГНОЗА ЗОН НАРУШЕНИЯ СПЛОШНОСТИ class3

Зависимость угла обрушения от величины ореолов протаивания для слабых пород

Разработка угольных месторождений подземным способом на Северо-Востоке СССР в настоящее время производится в зоне многолетней мерзлоты на глубинах в пределах 100 м [66]. Исключение составляет шахта "Сангарская", которая ведет горные работы и в зонах "сухих таликов" на глубинах до 230 м. В этих районах глубина распространения мерзлоты достигает 400м; в большинстве случаев температура горных пород ниже -3С. В этих условиях в мерзлом состоянии горные породы обладают высокой прочностью.

Оценивая физические свойства, следует прежде всего отнести в отдельную группу угольные шахты Чукотки, где в связи с засоленностью горные породы обладают малой связанностью, и, как правило, должны быть отнесены к слабым. На остальной территории региона вмещающие горные породы являются скальными и относятся к классу крепких. По сейсмопроявлениям их можно разделить на два района: со спокойной тектонической обстановкой (Центральная Якутия) и с повышенной тектонической активностью (шахты Колымы). В этих районах могут встречаться локальные зоны слабых пород на участках интрузивной трещиноватости и тектонических нарушений.

class4 МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАГРУЗОК НА КРЕПЬ ВСКРЫВАЩИХ

ВЫРАБОТОК И ИХ СОПРЯЖЕНИЙ class4

Основные расчетные указания

Исходными данными для выбора и расчета крепи являются: географический район расположения, назначение выработки, срок службы, сечение в свету, направление относительно напластования и угол наклона к горизонту, параметры теплового режима (средне-годовая температура шахтного воздуха и амплитуда сезонного колебания температуры, естественная температура пород), степень засоленности пород, наличие,вид и толщина теплоизоляции.

Смещение контура вскрывающих выработок в регионе по натурным данным не превышает 90 мм, поэтому крепь считается нагруженной в режиме заданной нагрузки.

Область действия методики распространяется на протяженные горные выработки и их сопряжения с любым расположением относительно залегания, пройденных буровзрывным способом или комбайнами в следующих условиях:

- во всех характерных для угленосных толщ региона породах;

- вне зоны крупных тектонических нарушений и водопри-токов;

- при способах охраны и расположении соседних выработок, исключающих их вредное влияние друг на друга.

Во всех случаях область применения методики ограничивается условиями правильного ведения горнопроходческих работ и выполнения "Правил безопасности в угольных и сланцевых шахтах".

Рекомендуется различать два типа теплового режима выработки: положительный и знакопеременный.

При положительном тепловом режиме оцениваются параметрыg- средняя температура воздуха в выработке за срок её службы, град; Т - температура горных пород, град.

Оценка достоверности предлагаемой методики

Отсутствие расчетных методов определения нагрузок на крепь для шахт области многолетней мерзлоты не позволяет сравнить предлагаемую методику и оценить её достоверность. Известно, что критерием достоверности является практика. Поэтому, для установления погрешностей данного метода расчета нагрузок на крепь проведено сравнение прогнозируемых нагрузок с несущей способностью крепей для всех шахт ПО "Северо-востокуголь" и ПО "Якутуголь" находящихся в эксплуатации на I января 1983 года. Анализу подверглись 120 капитальных выработок с общей протяженностью 45000 м (см. прил.1, табл. 1-7). Несущая способность крепи считалась экспертной оценкой нагрузки на крепь специалистами шахт, разрабатывающими паспорта крепления на основании опыта. По результатам счета построена диаграмма (рис. 5.1) сравнения прогнозируемой нагрузки с несущей способностью крепи. В случае совпадения прогноза с несущей способностью применяемой крепи точка попадает на биссектрису координатного угла. Отклонения проанализированы.

Первая - отделена пунктиром в центре координатного угла, в неё входят выработки, имеющие +10$ несовпадений прогнозной нагрузки и несущей способности. Отклонения от биссектрисы координатного угла в пределах этой области происходит из-за погрешностей расчета. Здесь находится 54 выработки протяжённостью 27360 м, что составляет соответственно 45$ и 60, $ от всех выработок, подвергшихся анализу.

Вторая - включает в себя выработки, попавшие в верною половину координатного угла. В этих выработках прогнозная нагрузка меньше, чем несущая способность установленной крепи. Все они относятся к выработкам, в которых деревянная крепь заменена на металлическую. Причем металлическая крепь установлена почти с той же плотностью, что и деревянная, поэтому выработки закреплены с избыточной плотностью крепи. Двадцать четыре выработки находится в этой области протяженностью 7400 м, что составляет соответственно 20% и 16,4%.

Третья - охватывает выработки, попавшие в нижнюю половину координатного угла. Таких выработок 42, протяженностью 10240 м или (22,8%). В них прогнозируемая нагрузка больше, чем несущая способность крепи, т.е. существующей плотности крепи недостаточно для поддержания горных выработок.