Введение к работе
Актуальность проблемы. Перед угольной промышленностью поставлена важная народно-хозяйственная задача - повышение эффективности подземной добычи угля, роста производительности труда при безопасном ведении горных работ и обеспечении рационального использования недр.
Решение этой задачи в условиях рыночных отношений возможно при выявлении скрытых возможностей, обеспечивающих рост эффективности работы шахт и создающих надежную базу выполнения жестких требований реструктуризации и обеспечения учета социально-экономических аспектов отрасли. В настоящее время средняя глубина ведения горных работ на угольных шахтах России составляет 700 м, а в отдельных бассейнах бо-пее 1000 м.
Опыт отработки сближенных пластов в свитах ряда бассейнов показывает, что добыча угля сопровождается крайне низкой устойчивостью подготовительных выработок и особенно выработок, сохраняемых для повторного использования. Их эксплуатация сопровождается интенсификацией процессов конвергенции пород, а также повышением газовыделения.
Так только по трем шахтам ОАО "Воркутауголь" с 1986 по 1995 г.г. ежегодные потери угля от простоев очистных забоев по причине загази-эования подготовительных выработок составили более 80 тыс. т. Ремонт тодготовительных выработок и подрывка пород почвы осложняются выходом метана, а иногда и его возгоранием.
Актуальность проблемы эффективного поддержания подготовительных выработок подтверждается "Федеральной целевой программой социально-экономического развития угледобывающих регионов" и 'Методическими рекомендациями по разработке и реализации региональ-шх программ в Российской Федерации", разработанных институтом мак-юэкономики Министерства экономики РФ; регламентирующим документом "Порядок разработки и реализации федеральных целевых программ швигия РФ и государственных целевых программ", утвержденном мини-:терством экономики РФ.
Совершенствованию способов повышения устойчивости подгото-штельных выработок посвящены работы: Ардашева К.А., Булычева Й.С., Боброва В.А., Борисова А.А., Бича Я.А., Братченко Б.Ф., Бурчакова А.С, >ажина Н.П., Глушко В.Т., Зубова В.П., Зайденварга В.Е., Каретникова 5.Н., Картозии Б.А., Ковалева О.В., Кошелева К.В., Кузнецова СВ., Ли-іерманаЮ.М., Малышева Ю.Н., Мельникова О.И., Огородникова Ю.Н.,
Протосени А.Г., Райского В.В., Руппенейта К.В., Слесарева В.Д., Тимофе-ваО.В., Черникова А.К., Черняка И.А., Шика В.М., ШтумпфаГ.Г., Якоби О. и др.
Большое количество публикаций и научных работ по этой тематике, ряд нормативных документов и федеральных программ РФ также свидетельствуют об актуальности рассматриваемых в диссертационной работе вопросов, связанных с разработкой способов и средств эффективного поддержания и охраны подготовительных выработок.
Цель работы^ Научное обоснование эффективных способов повышения устойчивости подготовительных выработок при отработке смежных лав пологозалегающих пластовых месторождений.
Основная идея работы заключается в управлении напряженно-деформированным состоянием массива, вмещающего подготовительные выработки, снижении интенсивности процесса дилатансии за счет применения шарнирно-амортизирующих и анкерных крепей и создания ориентированных плоскостей скольжения в кровле и почве выработок, с целью обеспечения их эксплуатационного состояния и возможности повторного использования при отработке смежных лав.
Задачи исследований:
- обобщить опыт эксплуатации подготовительных выработок и
обосновать возможность эффективного их поддержания при отработке
смежных лав;
-выявить основные особенности формирования напряженно-деформированного состояния (НДС) породных массивов вокруг подготовительных выработок;
-разработать методику прогноза смещений контура выработок при отработке смежных лав;
- разработать эффективные способы и средства обеспечения экс
плуатационного состояния подготовительных выработок при отработке
смежных лав, в зависимости от типа кровли пласта и склонности порол
почвы к пучению.
Научная новизна работы состоит:
в установлении размеров зон дилатансии и величины смещений кровли и почвы подготовительных выработок, закономерностей изменение напряженно-деформированного состояния вмещающего массива и разработке методики прогноза смещений контура выработок, отличающейся учетом коэффициента разрыхления пород в приконтурной зоне;
в разработке геомеханической модели деформирования массиве вокруг подготовительных выработок, учитывающей наличие и развитие зог
предельного состояния и пластической дилатансии в зависимости от влияния первой и второй смежных лав;
- в обосновании способов и средств эффективного поддержания
подготовительных выработок за счет разгрузки их кровли и почвы ориен
тированными плоскостями скольжения, применения анкерных и шарнирно-
амортизирующих крепей.
Научные положения, выносимые на защиту:
механизм деформирования пород вокруг подготовительных выработок зависит от их расположения относительно очистных забоев смежных лав и определяется размерами зон пластического разрушения пород приконтурной зоны выработок, глубиной заложения и физико-механическими свойствами вмещающих выработки пород;
параметры требуемых средств для эффективного поддержания подготовительных выработок определяются степенью развития зон предельных состояний пород вокруг выработок и их дилатансиеи в процессе деформирования и разрушения;
обеспечение эксплуатационного состояния подготовительных выработок при отработке смежных лав достигается путем комплекса мероприятий, включающего активные способы управления горным давлением за :чет создания ориентированных плоскостей скольжения в кровле и почве выработок и применения упрочняющих и поддерживающих крепей.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением современных методов анализа, обширным привлечением фактических материалов работы угольных шахт и экспериментальных данных, полученных с помощью замеров на 135 станциях, оборудованных глубинными и контурными реперами, удовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований с результатами шахт-тых экспериментов, а также положительным опытом использования разра-зоток на шахтах Печорского и Карагандинского угольных бассейнов.
Методика исследований включает в себя изучение горно-еологических и горно-технологических условий эксплуатации подготовительных выработок, натурные исследования смещений пород, применение летодов механики горных пород и математической статистики для обработки результатов экспериментов.
Практическая значимость работы состоит в разработке эффектив-1ых способов поддержания подготовительных выработок и их охраны, ос-юванных на использовании методов разгрузки массива от повышенного орного давления, укрепления почвы и кровли выработок за счет их анке-ювания, гидроразрыва пород кровли и почвы, применении конструкции іеталлических крепей с шарнирно-амортизирующими узлами податливости,
анкерных крепей, а также в создании методики определения конвергенции контура выработок. Результаты работы включены в "Методические рекомендации по оценке конвергенции выработок" (ПечорНИИпроект, 1988 г.). Реализация работы в промышленности
Способы и средства поддержания подготовительных выработок с анкерованием почвы и кровли и гидроразрывом пород кровли и почвы прошли промышленные испытания на шахтах "Комсомольская" и "Северная" ОАО "Воркутауголь". Общая длина экспериментальных участков составила более 2 км. Рекомендации по поддержанию выработок переданы в ОАО "Воркутауголь" и институт "ПечорНИИпроект" для применения на шахтах бассейна. "Методические рекомендации по оценке конвергенции выработок" используются в "ПечорНИИпроекте".
Конструкции металлических крепей арочного и циркульного очертаний с шарнирно-амортюирующими узлами податливости и анкерной крепи прошли промышленные испытания на шахте "Комсомольская" ОАО "Воркутауголь". Общая длина экспериментальных участков составила около 500 м. Результаты экспериментов подтвердили целесообразность ігх применения при креплении подготовительных выработок. Техническая документация на изготовление крепей передана ОАО "Воркутауголь" для применения на шахтах бассейна.
Научные и практические результаты работы используются в учебном процессе при подготовке специалистов горного профиля в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете).
Личный вклад автора диссертационной работы: - постановка задач, разработка методики исследований, организация и руководство исследованиями; участие в проведении и обобщение результатов шахтных исследований и уточнение на их базе механизма конвергенции подготовительных выработок угольных шахт; разработка методики прогноза смещений пород, вмещающих подготовительные выработки; разработка способов и средств поддержания подготовительных выработок угольных шахт, экспериментальная проверка их эффективности.
Основные положения работы докладывались и получили положительную оценку на научно-технической конференции "Современные методы разведки и разработки месторождений полезных ископаемых в условиях Крайнего Севера" (г. Сыктывкар, 1989 г.); на И-м республиканском научно-техническом семинаре "Разработка полезных скопаемых и горно-шахтное
строительство в условиях Крайнего Севера" (г. Воркута, 1988 г.); на Международном симпозиуме по проблемам прикладной геологии, горной науки и производства (С.-Петербург, 1993 г.); на IV-м республиканском семинаре "Передовые технологии разведки и добычи полезных ископаемых, особенности строительства и экологии на Крайнем Севере" (г. Сыктывкар, 1990 г.); на ХІ-й Российской конференции по механике горных пород (г. С.Петербург, 1997 г.); на V-м международном горно-геологическом Форуме (С.-Петербург, 1997 г.); на ежегодных научно-технических конференциях С.-Петербургского горного института (1974-84 гг.), а также на технических совещаниях ПО "Воркутауголь" (1986-90 гг.).
Основные положения диссертации опубликованы в 37 печатных работах.
В диссертации изложены результаты научных исследований, выполненных автором в Санкт-Петербургском государственном горном институте в 1965-1972 гг. по Карагандинскому угольному бассейну и в 1984-1996 гг. по Печорскому угольному бассейну при выполнении научно-исследовательской работы в соответствии с утвержденной Минвузом РСФСР целевой комплексной программой "Человек и окружающая среда. Проблема охраны природы. Охрана и использование земных недр" и по <оз/договорным темам: "Разработка и внедрение эффективных схем проведения и крепления протяженных горизонтальных горных выработок с це-1ью повторного их использования в условиях шахт Воркутинского бассейна" (1987-90 гг.), "Геомеханическое обоснование устойчивости подготовительных выработок при разработке пологозалегающих угольных пластов" .1994-96 гг.).
Автор выражает глубокую признательность и благодарность профессорам Протосене А.Г., Зубову В.П., АрдашевуК.А., Огороднико-jy Ю.Н., доц. Очкурову В.И., работникам шахт ОАО "Воркутауголь" и института "ПечорНИИпроект", оказавшим научную и организационную помощь в проведении исследований и оформлении диссертационной работы.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ
