CC BY
33
СЕМИНАР 1
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98" МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98
В.А. Ткачев, НГТУ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК ПРИ РАЗРАВОТКЕ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
Программа широкомасштаб-
ной структурной перестройки угольной промышленности России ставит перед производственниками ряд сложных проблем, одна из которых связана с проведением, креплением горных выработок и обеспечение их устойчивости в процессе эксплуатации.
На шахтах Восточного Донбасса около 15%. а на отдельных шахтах до 40-50 % подготовительных выработок находятся в неудовлетворительном состоянии. На поддержание этих выработок в рабочем состоянии используются от 5 до 15 % подземных рабочих. Удельный все затрат на ремонт горных выработок, отнесенных к добыче угля. достигает 10-20 %.
Нарушение крепи имеет место в основном в подготовительных выработках, подверженных влиянию очистных работ. Такое положение объясняется. главным образом, несоответствием применяемых крепей и способов поддержания выработок характеру развития геомеханических процессов.
Отсутствуют пригодные для практических целей методы расчета крепи для выработок, находящихся в тоне влияния очистных работ. Анализ теоретических работ показал, что в настоящее время известными аналитическими методами представляется возможным определять только сугубо ориентировочные значения расчетных нагрузок на крепи. Кроме тМ, эти нагрузки принимаются строго детерминированными по длине элементов крепи. Между тем, в действительности. как величина нагрузок, так и закономерности их распределения зависят от многих, сложным образом взаимодействующих между собой горно-геологических и горнотехнических факторов.
Поэтому одним из направле-
ний совершенствования расчетов параметров крепи подготовительных выработок является изыскание и разработка практически пригодных расчетных схем, максимально учитывающих их специфику работы.
К специфическим особенностям расчетных схем кропи выемочных штреков относится необходимость совместною рассмотрения системы «окружаю-щий-массив-крепь-охранная конструкция». Аналитическое
решение такой задачи пока затруднено из-за чрезвычайной сложности и множества влияющих факторов.
Все это определяет необходимость дальнейших исследований и на их базе разработки научных основ выбора рациональных способов и средств крепления и поддержания подготовительных выработок.
Для изучения особенностей развития геомеханических процессов в окрестности выемочных штреков и определения степени влияния, основных горно-геологических и горнотехнических факторов на их устойчивость были проведены шахтные исследования. Экспериментальные участки охватывали весь диапазон горно-геологических и горнотехнических условий шахт Восточного Донбасса.
На основе шахтных исследований установлен, что выемочный штрек испытывает изменение геомеханической обстановки в следующих шести зонах: 1 -
влияния проходческого забоя: 2 -поддержания выработки в массиве вне зоны влияния очистных работ:
3 - динамических проявлений опорного давления первой лавы, 4
- стабилизировавшегося горного давления позади первой дали: 5 -динамических проявлений опор-
ного давления от второй лавы; 6 -стабилизировавшегося горного давления позади второй лавы.
Конвергенция боковых пород до начала влияния очистных работ не превышала 80 - 110 мм: под действием опорного давления в кровле выемочного штрека появляется зона неупругих деформации, величина которой зависит от многих факторов и составляет от 0,5 до 2,5 и более метров.
В связи с тем, что на устойчивость выемочного штрека совместно влияет значительное число факторов, и подбор данных с одним влияющим фактором при постоянных значениях остальных не представляется возможным, то в качестве математического аппарата исследования принимается метод множественной корреляции.
В качестве фактора функции принята конвергенция вмещающих пород выемочного штрека У
- Ушах после прохода очистного забоя и наступления периода стабилизации, так как податливость крепи выемочного штрека определяется этим фактором.
Основными факторами-аргу-
ментами. влияющими на конечную конвергенцию, были приняты: вынимаемая мощность пласта (ш); СОпротивление крепи (с[)ж критерий устойчивости пород, вмещающих угольный пласт (уН/стсм); ширина угольного целика или бутовой полосы (Ь); пролет выемочного штрека в. Проходке (1); расстояние до лавы (Ь).
Результаты шахтных исследований сначала были разделены на группы с одинаковыми способами охраны выемочных штреков, а затем обработаны на ЭВМ при помощи специальной программы множественной корреляции.
Были получены следующие корреляционные зависимости для выемочных штреков со способом
охраны:
массив-целик
ишах = 63ш + 7бе(4АЯ/осж) -
- 9,8Ь + 331п(Ь) -102
массив-бутовая полоса
ишах = 464 + 91 - е(-0,95ш) - 0,81с -
- 6,3/(г Н/асж ) - 7,4Ь
массив-бутокостры
ишах = 5000 + 30,312 + 21001п(, Н/СТ„) -
- 40100/с - 190Ь + 78,31п(Ь) массив-железобетонные тумбы
ишах57 + 36,4ш3 + 5350/с +
+ 1128(г Н/стсж) - 4230/Ь
Полученные многофакторные корреляционные зависимости могут быть применены с достаточной точностью и надежностью для определения конвергенции вмещающих пород в выемочных штреках при всех способах их охраны
Шахтными исследованиями невозможно установить механизм взаимодействия системы
«крепь-окружающий мас-
сив-охранная конструкция» Для решения этой задачи применен самый популярный среди численных методов решения задач метод конечных элементов. В расчетах использовались реальные горногеологические условия отработки пласта 12 ,разраба-тываемого 7 шахтами Восточного Донбасса. Из массива выделен участок с размерами 49 х 45 х 0,11 м, глубина расположения которого 700 м. В зоне обрушения максимальная интенсивность нагрузи на почву задана 20 % от интенсивности нагрузки в этом месте. В расчетах используется анкерная и арочная крепи со всеми присущими для них физико-механическими характеристиками. В результате наблюдений за характером деформирования охранных конструкций из бутокостров в шахтных условиях установлено, что их модуль упругости является переменной величиной, поэтому Е=0,1-105 МПа и абсолютно жесткие. Выделенная плоскость массива разделялась на треугольные и четырех-
угольные элементы. Всего получено 831 узел и 965 элементов массива. Было проведено 3 серии расчетов. В первой серии исследовался механизм взаимодействия крепи выемочных штреков с массивами горных пород вне зоны влияния очистного забоя. Просчитано четыре варианта 1 - выработка закреплена; 2 - закреплена анкерной крепью;. 3 - закреплена рамной крепью;. 4 - закреплена анкерно-рамной крепью.
Во второй серии расчетов отлитие заключалось в том. что выемочный штрек охранялся по схеме «массив-целик угля шириной 6м». В третьей серий расчетов выемочный штрек охранялся по схеме «массив-бутокостры» - два ряда. Кроме того. в данной серии расчетов меняли податливость бу-токостров. Таким образом. просчитано 14 вариантов горнотехнических условий. Решалась плоская задача в упругой постановке. Расчеты проводили на ЭВМ типа 1ВМ РС. После машинного счета были получены компоненты напряжений и перемещений в узлах элементов массива и крепи. Кроме того, построены поля напряже-нийстх, сту, тху для всего выделенного участка массива горных пород.
Анализ напряженно-деформированного состояния массива пород, а также диаграмм напряжений при всех вариантах охраны к крепления позволил сделать следующие выводы:
1 Крепь горной выработки на напряженно-деформирован-ное состояние массива горных пород оказывает незначительное влияние и лишь только в локальной приконтурной зоне, глубиной около метра.
2. На напряженное состояние кровли и почвы выработки сильное влияние оказывают способ охраны и жесткость охранной конструкции.
3. Расчеты показали, что для того, чтобы смещение пород кровли в районе выемочного штрека снизить до безопасного уровня, необходимо иметь несущую способность бутокостров
почти на порядок выше. что практически невозможно.
4. охрана выемочного штрека угольными целиками небольшой ширины является более предпочтительной с точки зрения напряженного состояния кровли выемочного штрека.
5. В зоне влияния очистного забоя в кровле выемочного штрека меняется знак горизонтальных напряжений с растягивающих на сжимающие. Уровень напряжений зависит от податливости средств охраны.
Как показал анализ экспериментальных исследований, основной причиной деформаций породного массива в кровле выемочного штрека является несоответствие технической характеристики крепи, в том числе и режима работы условиям ее применения. За время эксплуатации выемочный штрек трижды испытывает изменение геомеханического состояния вмещающих пород: после его проведения: под влиянием очистных работ первой и второй лавы. В первом случае - режим работы крепи заданной нагрузки, во втором и третьем - сочетание режимов заданных деформаций и нагрузки.
Таким образом, крепь выемочных штреков не может полностью воспринимать усилие опорного давления, а должна обладать несущей способностью, достаточной для удержания веса разрушенных пород в локальном своде обрушения. В то же время крепь должна иметь податливость, равную величинам максимальных смещений контура выработки.
Исходя из этих предпосылок, автором разработана расчетная схема крепя выемочных штреков и составлена методика установления рациональных параметров. Методика предусматривает метод вариантного проектирования. Вначале на основе анализа горногеологических условий и оценки устойчивости пород выбирается конструкция основной крепи выемочного штрека и крепи усиления в зоне влияния очистных работ. Затем для выбранных проектировщиков механических пара-
метров и размеров конструктивных элементов крепи выполняется расчет ожидаемых смещении боковых пород и проверяется прочность крепи Ожидаемое конечное смещение служит для определения податливости рамкой крепи и подсчитывается по корреляционным уравнениям.
При нарушении условий прочности, или если ожидаемые смещения боковых пород больше допустимых, расчет повторяется при других значениях механических и геометрических параметров до тех пор. пока не будет получена допустимая по прочности или ожидаемых смешений конструкция крепи выемочного штрека. Если ожидаемые смещения настолько велики, что появляется необходимость перекрепления выемочного штрека или проведения комплекса специальных мероприятий, направленных на повышение устойчивости породных обнажений, то следует провести технико-
экономическое сравнение возможных вариантов.
Автором разработана экономико-математическая модель выбора типа крепи и способа поддержания выемочных штреков, котором отличится новизной подхода.
Обычно целесообразность того или иного вида крепления и способа поддержания оценивается экономически (стоимост-ными и трудовыми) показателями - оптимальный вариант должен иметь наименьшие дополнительные затраты н обеспечить высокую эффективность. Однако для некоторых способов подготовки, средств крепления штреков и их охраны этого недостаточно. Например, способы полевой подготовки и способы крепления выработок пройденных по пластам с выемкой охранных целиков должны оцениваться с учетом извлечения угля из охранных целиков Целики необходимо рассматривать как
дополнительный фронт работ (в процессе подготовки очистных забоев), а их выемку при способах без целиковой технологии следует рассматривать как попутную добычу и по сути как производство дополнительной продукции - угля. Это обстоятельство может быть оценено либо как уменьшение ущерба от потерь угля, приходящегося на 1 погонный метр выработки, при оставлении целиков, либо как добавление прибыли от реализации добытого из целиков угля
Чем больше размер охранного целика и чем ценнее уголь, тем выгоднее проходить выработки широким ходом с выкладкой бутовых полос, костров, клетей и т. п. Таким образом, используя разработанные автором критерии оценки. можно выбрать оптимальный тип крепи выемочного штрека и способ его охраны.
© В.А. Ткачев
Файл:
Каталог:
Шаблон:
Заголовок:
Содержание:
Автор:
Ключевые слова: Заметки:
Дата создания:
Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:
Полное время правки: Дата печати:
При последней печати страниц: слов: знаков:
ТКАЧЕВ
в:\С диска по работе в универе\01АВ_99\01АБ4_99\Все С:\и8еге\Таня\АррБа1а\Коаті^\Місго80й\ШаблоньіШогта1Ло1т УДК 622
Гитис Л.Х.
13.05.1999 10:57:00
11
13.05.1999 16:33:00 Гитис Л.Х.
175 мин.
14.12.2008 20:33:00
4
1 743 (прибл.)
9 940 (прибл.)
