Обеспечение устойчивости подземных горных выработок в трещиноватом породном массиве

Луганцев, Борис Борисович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Обеспечение устойчивости подземных горных выработок в трещиноватом породном массиве
ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обеспечение устойчивости подземных горных выработок в трещиноватом породном массиве"

На правах рукописи

ЛУГАНЦЕВ БОРИС БОРИСОВИЧ

УДК 622.268.02:622.831

ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК В ТРЕЩИНОВАТОМ ПОРОДНОМ МАССИВЕ

Специальность 25.00.22 «Геотехнология (подземная, открытая, строительная)»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Москва 2001

Работа выполнена в Шахтинском научно-исследовательском и проектно-конструкторском угольном институте.

Официальные оппоненты:

проф., докт. техн. наук Потапенко В.А.,

проф., докт. техн. наук Некрасов В.В.,

проф., докт. техн. наук Катков Г.А.

Ведущая организация: ООО «Ростовгипрошахт».

Защита диссертации состоится «...».......2001 г.

в ... час. на заседании диссертационного совета Д-212.128.03 в Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан «...»........2001 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

канд. техн. наук, доц. Мельник В.В.

2.оо2-А _

^ ? 8 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Весьма важной проблемой подземной разработки месторождений полезных ископаемых на этапе глубокого реформирования отраслей топливно-энергетического комплекса является обеспечение устойчивого состояния породного массива в окрестностях горных выработок с целью создания условий для надёжного выполнения ими своих функций. Решение данной проблемы должно базироваться на многостороннем изучении состояния породного массива, вмещающего горные выработки, и его изменения с течением времени и под воздействием производственных процессов. При этом на первый план выходят исследования механизма изменения состояния пород на контуре горных выработок, смещения которых в очистные или подготовительные выработки приводят к ухудшению их состояния, снижению эффективности и безопасности работ. Известно, что горные породы уже на генетическом уровне поражены трещинами. Рост раскрытия трещин в породном массиве связан с их смещением в горные выработки. Наличие и развитие трещин приводит к разрушению приконтур-ного массива пород с вывалообразованием в лавах и выходом из строя подготовительных выработок. Установление закономерностей трещинообразования в приконтурном массиве пород необходимо для обоснования геотехнологических решений, обеспечивающих устойчивость горных выработок, безопасное и стабильное функционирование производственных структур шахт.

Расчётные методы выбора крепи для очистных и подготовительных выработок постоянно совершенствуются. Разрабатываются новые виды крепи, реализуются мероприятия по обеспечению устойчивости углевмещающих породных массивов в окрестности горных выработок. Технические службы шахт разрабатывают паспорта и проекты ведения горных работ в соответствии с отраслевыми нормативными документами, согласовывают их с вышестоящими инстанциями и выполняют все необходимые расчёты, в том числе по выбору крепи и мероприятий по поддержанию горных выработок. Несмотря на это несчастные случаи по причине обрушения пород происходят в два раза чаще, чем травмирование людей машинами и механизмами; потери добычи по горно-геологич^кш^-нртгшШл со-

I ' • \ибли0ТЕКЛ 1

ставляют более половины всех потерь добычи угля, в том числе: в лавах - более 50%, в подготовительных выработках - около 30%, в то время как потери добычи в связи с отказами машин и механизмов - около трети всех потерь. На шахтах Восточного Донбасса обрушения пород кровли одновременно происходят почти в 90% лав, они наблюдались в 85% забоев проводимых выработок, приводили к завалам 15% выемочных выработок, причём некоторых неоднократно. Как показывает практика, доминирующим фактором наличия таковых ситуаций является трещиноватость породных массивов.

Таким образом, вышеизложенное свидетельствует об актуальности решения проблемы обеспечения устойчивости подземных горных выработок в трещиноватом породном массиве для снижения уровня травматизма и повышения эффективности добычи угля.

В связи с этим целью диссертации является установление закономерностей трещинообразования в породном массиве для разработки и реализации комплекса мер по обеспечению устойчивости горных выработок, позволяющих повысить эффективность и безопасность добычи угля.

Основная идея работы заключается в использовании теории фрактальной геометрии для вероятностного описания процесса потери устойчивости выработок и выявления на этой основе характеристик механизма формирования и развития трещин в массиве.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий научное обобщение и анализ производственного опыта, аналитические методы исследования с привлечением аппарата фрактальной геометрии, численного моделирования, математической статистики, теории вероятностей, а также корреляционный и регрессионный анализ, натурные исследования с использованием апробированных и разработанных автором методик.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

род кровли и принимать обоснованные решения по обеспечению эффективности и безопасности горных работ.

2. Суммарная ширина раскрытия и количество трещин в двухметровом приконтурном слое пород кровли на каком-либо участке подготовительной выработки изменяются с течением времени и при изменении положения данного участка выработки относительно очистного забоя. Имеют место два максимума интенсивности образования и развития трещин, один из них - в начальный период проведения подготовительной выработки, другой - в зоне влияния очистных работ. При бесцеликовой охране выработки наиболее интенсивно ширина раскрытия трещин увеличивается на участке выработки в створе с лавой. При охране выработок со стороны выработанного пространства лавы целиками шириной 20 м и более происходит незначительный рост раскрытия трещин на участке выработки в 20-30 м позади линии очистного забоя.

3. Зависимость смещений кровли от суммарной ширины раскрытия трещин расслоения двухметрового приконтурного слоя пород при поддержании выработки вне зоны влияния очистных работ или при охране её со стороны выработанного пространства лавы целиками угля шириной 20 м и более является линейной. При бесцеликовой охране выработки со стороны выработанного пространства лавы график зависимости смещений кровли от суммарной ширины раскрытия трещин двухметрового приконтурного слоя пород представляет собой ветвь параболы.

4. Повышение прочности горных пород с уменьшением размеров зёрен или с ростом степени метаморфизма вмещаемых ими пластов угля обусловлено увеличением площади поверхности межзернового контакта, вызванным в первом случае уменьшением размеров зёрен, во втором - возрастанием степени неровности поверхности самих зёрен.

5. Условием начала перемещений слоев пород и породных блоков является превышение значением ширины раскрытия трещины максимального размера неровности ее поверхности, определяемого как суммарные линей-

ные отклонения точек поверхности трещины от условной гладкой поверхности с фиксированными координатами в пространстве. При этом перемещение слоев пород в кровле подготовительной выработки друг относительно друга при бесцеликовой её охране со стороны выработанного пространства лавы вдоль одной из трещин расслоения происходит при определённом соотношении ширины раскрытия данной трещины и суммарной ширины раскрытия других трещин расслоения, находящихся ближе к контуру выработки.

6. Объективной основой прогнозирования смещений кровли при арочной крепи выработок являются выявленные закономерности изменения смещений пород в функции размеров пустот над верхним элементом крепи.

7. Развивающееся во времени активное воздействие на процесс развития трещин в породном массиве вокруг горных выработок эффективно реализуется посредством применения предложенных геотехнологических решений, направленных на повышение несущей способности рамной арочной и анкерной крепи, а также охранных конструкций ограниченной податливости.

8. Обоснованный выбор рациональных средств комплексной механизации и разработка прогрессивных технологий очистных работ должны базироваться на условии эффективного управления процессом раскрытия трещин в породах кровли над призабойным пространством лав при исключении динамической составляющей процесса сдвижений кровли в выработанном пространстве.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- представительным объёмом шахтных исследований (247 замерных станций на 14 угольных шахтах);

- удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и шахтных исследований механизма деформирования трещиноватого углевмещающего массива (расхождение не превышает 20%);

- экспериментальным подтверждением повышения устойчивости кровли горных выработок при применении предложенного способа установки металлических анкеров с замками распорного типа.

- положительным опытом испытания в шахтных условиях разработанных технических решений, обеспечивающих при их применении снижение степени трещиноватости породного массива вокруг горных выработок;

Научная новизна исследований заключается в следующем:

- установлено, что фрактальные модели адекватно описывают реальный процесс образования и развития трещин в горных породах и могут служить основой для создания расчётных методов определения устойчивости кровли, разработки новых и выбора наиболее эффективных для конкретных горно-геологических условий технических решений по обеспечению устойчивости кровли в призабой-ном пространстве лав и подготовительных выработках;

- сформулирована и решена задача определения предельной вероятности разрушения пород кровли горных выработок и очистных забоев при различных видах крепи;

- установлена зависимость разности между фактическими смещениями кровли выработки и расчётными их значениями, определёнными в соответствии с действующей в отрасли нормативно-технической документацией, от размера пустот над верхним элементом арочной крепи;

- изучен механизм раскрытия трещин в горных породах в различные периоды поддержания выработок;

- установлен нелинейный характер зависимости смещений кровли от суммарного раскрытия трещин расслоения двухметрового прикон-турного слоя пород кровли подготовительной выработки в период её поддержания в зоне влияния очистных работ;

- выявлена возможность существования ситуации, при которой предельные значения смещений кровли обеспечиваются раскрытием видимых трещин двухметрового слоя пород, прилегающего к контуру выработки;

- установлена закономерность соотношения ширины раскрытия трещины расслоения и суммарного раскрытия других трещин расслоения, находящихся между данной трещиной и контуром выработки, при котором происходит относительное смещение слоев пород вдоль данной трещины расслоения в кровле горной выработки за очистным забоем при охране выработки без оставления целиков угля.

Научное значение диссертации состоит в разработке методических основ прогнозного выявления предельного состояния трещиноватого породного массива с использованием установленных закономерностей формирования и развития трещин для обоснования и реализации комплекса мер по обеспечению устойчивости подземных горных выработок.

Практическое значение работы заключается в следующем:

1. Разработаны, запатентованы и испытаны в шахтных условиях: способ частичного заполнения пустот над верхним элементом арочной крепи с использованием эластичных оболочек, обеспечивающий безремонтное поддержание выработок и повторное использование арочной крепи; способ установки металлических анкеров с замками распорного типа, обеспечивающий снижение роста чрс-щин в породах кровли и повышение их устойчивости.

2. Разработаны и запатентованы: два способа заполнения пустот над верхним элементом арочной крепи без оставления эластичных оболочек; способ усиления анкерной крепи для обеспечения поддержания устойчивости кровли повторно используемой выработки; конструкция охранной крепи ограниченной податливости; способ безлюдной выемки крутых тонких пластов угля, исключающий динамическую составляющую процесса сдвижения пород кровли над выра-

ботанным пространством для обеспечения их устойчивости в призабойном пространстве лавы.

3. Разработан инструктивный документ по техническому обеспечению безопасного и эффективного ведения горных работ в пределах выемочных участков шахт Восточной Донбасса.

Реализация результатов работы.

Результаты исследований вошли в «Руководство по управлению горным давлением на выемочных участках шахт Восточного Донбасса»; используются в ОАО «Ростовуголь» при составлении паспортов выемочных участков, проведении и креплении горных выработок, разработке мероприятий по управлению горным давлением в очистных и подготовительных выработках. Практическое применение результатов исследований позволило повысить устойчивость горных выработок, безопасность ведения работ и снизить уровень потерь угля по геомеханическим факторам.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и получили одобрение на: «Всесоюзной научной конференции вузов СССР с участием НИИ» (Москва, 1982); «Научной конференции Шахтинского института НГТУ» (Шахты, 1995); «Научно-практической конференции Южно-Российского отделения Академии горных наук РФ» (Шахты, 1998); «50-й Юбилейной региональной научно-производственной конференции» (Шахты, 2001); на заседаниях: учёного совета Шахтинского научно-исследовательского и проектно-конструкторского угольного института (Шахты, 1988-2001), научно-технических советов акционерных обществ «Ростовуголь» и «Гуковуголь» (Шахты-Гуково, 1992-1996, 2001), научном семинаре кафедры подземной разработки пластовых месторождений МГТУ (Москва, 2001).

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 26 работ, в том числе 1 монография, 18 научных статей и 7 патентов РФ на изобретения.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, 7 разделов, заключения, приложения и содержит 61 рисунок, 47 таблиц, список литературы из 124 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Основные направления исследования проблем обеспечения устойчивости подземных горных выработок для эффективного и безопасного ведения горных работ

В общем случае на эффективность работы угольных шахт влияет комплекс природных, горнотехнических, организационных, экономических, социальных факторов. Для упрощения выявления зависимости эффективности ведения горных работ от различных факторов дается количественная оценка факторов с тем, чтобы каждый из них характеризовался единственным показателем. Для сведения нескольких показателей к одному используется известный способ свёртки критериев по относительным отклонениям от максимальной величины показателя в данной выборке

п , F.

' \ Jтл» /

где Fk - интегральная характеристика k-го фактора;

F,j, F,max - соответственно j-e и максимальное значения i-ro показателя в выборке;

Wi - удельный вес 1-го показателя в формировании интегральной характеристики k-го фактора;

п - количество i-x показателей k-го фактора, Е при i от 1 до п.

Всю совокупность шахт по уровню показателей, вычисляемых по приведенной формуле, вполне обоснованно можно разбить на две группы: шахты, подлежащие закрытию, и эффективно работающие шахты. Статистический анализ показал, что из горно-геологических факторов наиболее значительное влияние на эффективность работы не подлежащих закрытию шахт оказывает устойчивость пород кровли. Этому вопросу посвящены многочисленные исследования. Из отечественных ученых наиболее значительный вклад в решение существующих проблем внесли: Борисов A.A., Бурчаков A.C., Грицко Г.И., Егоров П.В., Зайденварг В.Е., Ильштейн А.М., Каретников В.Н., Катков Г.А., Кузнецов Г.Н., Кузнецов

С.Г., Курленя М.В., Михеев О.В., Некрасов В.В., Потапенко В.А., Проскуряков Н.М., Руппенейт К.В., Фисенко Г.Л., Фрянов В.Н., Черняк И.Л., Ярунин С.А. и многие другие.

На устойчивость кровли влияет, как известно, множество факторов. Одним из важнейших является наличие трещин в породах. Известны эмпирические зависимости между разрушающим напряжением и размером зерен. Одна из них выглядит следующим образом:

°рп]р=К°-<1-Ь (2)

где К" - эмпирический коэффициент; с! - средний размер зерен, мк;

Ь = 0,2-0,9 - определенный для каждой породы показатель.

Основываясь на данных наблюдений в горных выработках Талнахско-Октябрьского месторождения и результатах лабораторных экспериментов, . Е.И.Шемякин, М.В.Курленя и др. пришли к выводу о существовании зональной дезинтеграции горных пород вокруг горных выработок, то есть чередования зон прочных и разрушенных пород.

Многие авторы разработали различные модели деформирования и разрушения пород различной сложности и адекватности реальным процессам.

Черняк И.Л. пришёл к утверждению, что смещения пород кровли горных выработок обусловлены в основном разрыхлением, а исследователь, интерпретирующий данные замеров как упругие деформации, получает полностью искажённую картину напряжений в массиве. Ставрогин А.Н. показал, что с увеличением бокового давления площадки отрыва уменьшаются до минимального размера, равного размеру зерна, а плоскость сдвига представляет собой лестницу. Иссле-1 дования Грохотова Ф.И. свидетельствуют об инвариантности формы поверхности трещин в горных породах относительно масштаба рассмотрения.

На основе анализа исследований сделаны следующие выводы. Существующие классификации устойчивости пород кровли угольных пластов не базируются на использовании интегрального количественного показателя. Наиболее важны-

ми факторами, определяющими устойчивость кровли, являются трещиноватость и расслаиваемость слагающих её пород. Ослабление элементов породного массива происходит развитием трещин по контактам между зернами. Традиционные методики определения напряжений по деформациям пород несовершенны. Математические методы, используемые для описания массива пород, не обладают достаточными возможностями адекватного учёта влияния трещиноватости пород на выбор геотехнологических решений по обеспечению устойчивости кровли в призабойном пространстве лав и поддержанию подготовительных выработок.

В связи с вышеизложенным поставлены и решены в настоящей работе следующие комплексы научных задач:

- теоретическое обоснование и разработка инструментария исследований трещиноватого горного массива;

- моделирование трещиноватого породного массива, обеспечивающее возможность оценки влияния различных видов управляющих воздействий на устойчивость кровли горных выработок;

- выявление закономерностей развития трещиноватости массива пород, вмещающего горные выработки;

- разработка функционально ориентированных технических решений, реализующих активное воздействие на процесс развития трещиноватости пород с целью обеспечения устойчивости кровли выработок;

- испытания в шахтных условиях предложенных технических решений и рекомендаций по повышению устойчивости выработок в трещиноватом массиве горных пород.

2. Методические основы фрактального моделирования трещиноватых

породных массивов, вмещающих горные выработки

Фрактальные формы самоподобны и независимы от масштаба и определения масштаба. Фракталы позволяют описывать многие природные формы и создавать компьютерную имитацию природных явлений. Фракталы создаются в

результате конструкционных процедур или алгоритмов, повторяющихся снова и снова, и идеально удовлетворяющих требованиям к компьютерам.

Самоподобный объект из N частей с масштабным отношением каждой части г от целого имеет фрактальную размерность

Фрактальная размерность в отличие от большинства евклидовых размерностей не является обязательно целым числом. При изменении О от 1 до 2 получаемая кривая меняется от более-менее линиеподобной до очень извилистой.

С учетом подтверждённой исследованиями Грохотова Ф.И. правомерности моделирования поверхности трещины в горной породе фрактальной поверхностью критическая сила растяжения трещины определяется по формуле:

где а - удельная энергия разрушения; </ - диаметр породного зерна; В - фрактальная размерность. Распространение области разрушения в горных породах, т.е. области распространения трещин, моделируется с помощью нагруженного фрактального дерева. Такая модель позволяет получить статистическое описание распространения области разрушения при масштабно - инвариантном механизме переноса нагрузки. Когда нагрузка достигает некоторой предельной величины, модель позволяет имитировать разрушение структуры, обеспечивает возможность определения пороговых значений нагрузки, при которых разрушение не происходит, позволяет варьировать значения прочности, нагрузки, высоты дерева, числа уровней и исследовать процесс разрушения.

Вероятность разрушения рёбер на п-м уровне фрактального дерева определяется по формуле:

(3)

Р = 2а-с1

1-0

(4)

где Fon - прочность ребер п -го уровня.

Определив вероятность Р (n -1) разрушения ребра на (n-1 )-м уровне, можно определить зависимость вероятности разрушения ребер на (п-1)-м уровне от вероятности разрушения ребер на n-м уровне:

Формула (6) описывает распространение разрушения по дереву и применима ко всем уровням структуры. При этом предельный уровень вероятности обозначает переход от состояния, при котором области разрушения остаются ограниченными, к состоянию, при котором области разрушения неограниченно растут и массив разрушается под действием нагрузки.

3. Теоретические исследования устойчивости пород кровли подготовительных и очистных выработок

В соответствии с приведенной зависимостью (4) критическая сила (Г) растяжения трещины в известняке в 1,6; в алевролите в 1,2; в крупнозернистом песчанике в 1,3; в мелкозернистом песчанике в 2,0 раза выше, чем в аргиллите. Анализ формулы (4) показывает, что для пород одного литотипа справедливо правило роста прочности с уменьшением размера зёрен (¿0 или с ростом метаморфизма вмещаемых ими угольных пластов за счёт увеличения площади поверхности межзернового контакта. Этот факт подтверждается неизменностью прочности известняка при изменении метаморфизма, объясняемой очень малыми размерами зёрен известняка по сравнению с другими породами.

В соответствии с соотношением (5) каждому типу кровли по устойчивости соответствует свой уровень предельной вероятности разрушения, соотносящийся с площадью (5) и временем (/) устойчивого состояния незакрепленной кровли.

(6)

Линии, ограничивающие области различных типов кровли в плоскости 5хг, можно рассматривать как гиперболические кривые, тогда

(7)

где Т - технологическая характеристика кровли лавы, отражающая величину предельной нагрузки, при которой породы кровли не разрушаются, и являющаяся количественной характеристикой устойчивости кровли. При использовании для установления значений Т сведений о технологических признаках устойчивости пород появляется возможность дать следующую классификацию устойчивости кровли очистных выработок:

По аналогии с технологической характеристикой кровли очистных выработок показатель устойчивости пород в подготовительных выработках должен определять время устойчивого состояния обнажённой кровли. Существуют классификации с соотнесением времени устойчивого состояния пятиметрового пролёта кровли горной выработки и характеристики породы. Анализ данных о расстоянии между трещинами и ширине раскрытия трещин в породах позволил разработать классификацию устойчивости кровли в подготовительных выработках, приведенную в таблице.

весьма устойчивая средней устойчивости малоустойчивая неустойчивая весьма неустойчивая

Т> 72000; 1200 < Т^ 72000; 20 < Т <1200; 1,5 < Т < 20; Т<1,5

Классификация устойчивости кровли в подготовительных вы Таблица работках

Тип пород Доля расстояний между трещинами более 100 мм в общей длине Время устойчивого состояния пятиметрового пролёта выработки Количество трещин на 1 м шпура Суммарная ширина раскрытия трещин на 1м, мм

Весьма устойчивые 0,90 + 1,00 > 1 года <0,5

Устойчивые 0,75 - 0,90 > 1 месяца 1-5 ! 0,5 + 5

Средней устойчивости 0,50 + 0,75 > 1 недели 5 4-10 1 5 + 15

Неустойчивые 0,25 -ь 0,50 > 1 суток 10+20 1 15+30

Весьма неустойчивые <0,25 < 1 суток > 20 | >30

4. Шахтные исследования трещиноватости породных массивов, вмещающих горные выработки

Исследования трещиноватости пород производились в горных выработках с использованием оптического прибора типа РВП, созданного в ОЛО «ШахтНИУИ» под руководством автора. С помощью прибора можно определить местоположение трещин с точностью ±5 мм и ширину их раскрытия с точностью до ±0,1 мм при осмотре стенок шпура длиной до 4,0 м.

Анализ данных замеров позволил выявить характерную трещиноватость кровли в обследуемых выработках. Средняя величина ширины раскрытия одной трещины в приконтурной зоне в 6 раз выше, чем на расстоянии 1,5 м от контура выработки. Ширина раскрытия около 70% трещин не превышает 1,5 мм. Более 80% всех трещин расположены на расстоянии не более 1м от контура выработки. Суммарное раскрытие трещин в двухметровом слое кровли быстро растет на протяжении 70 м от забоя штрека, затем скорость роста раскрытия трещин снижается и уровень трещиноватости стабилизируется. Новый рост величины раскрытия трещин начинается, когда шпур, в котором производятся замеры, оказывается на линии забоя лавы. При этом увеличивается ширина раскрытия существующих трещин и появляются новые трещины.

В выработках, закрепленных арочной крепью, трещиноватость пород кровли значительно выше, чем в выработках с анкерной крепью. В связи с этим были проведены замеры пустот за рамами арочной крепи и смещений пород кровли. Математическая обработка данных показала, что разность между фактическими и теоретическими значениями опускания кровли как от влияния первой лавы ЛЦ/, так и второй Аи2, определяется величиной пустот (0) в своде выработки:

Полученные зависимости позволяют прогнозировать уменьшение смещений кровли выемочных выработок в случае более точного их оконтуривания при проведении или заполнении пустот за рамами арочной крепи.

В выработках с охраной для повторного использования без оставления целиков угля шпуры, замеры в которых делались неоднократно, оказались пережатыми после прохода лавы на разном расстоянии за очистным забоем. Анализ данных замеров показал, что горизонтальная подвижка слоёв происходит при определённых сочетаниях ширины раскрытия трещины, вдоль которой происходит подвижка (трещина пережима), и суммарной ширины раскрытия трещин между контуром выработки и трещиной пережима по данным замера, предыдущего тому, в котором обнаружена горизонтальная подвижка слоёв пород. В системе координат «ширина раскрытия трещины пережима» (6) х «суммарная величина раскрытия трещин приконтурного диапазона» (Ц8') граница зоны, в которой происходят горизонтальные подвижки слоёв, определится по формуле:

Ли, = -1,90 • 10*3 ■ б2 +2,22 • 6 -377 ( 0 = 230 ...530);

(8)

Ли2 = -1,18 • Ю-3-02 +1,18 -0-201 ( 0 =230 ...530).

(9)

(10)

где аиЬ- эмпирические коэффициенты.

В выемочных штреках шахт «Юбилейная», «Аготинская» и вентиляционном ходке №4 шахты «Соколовская» ОАО «Ростовуголь» одновременно с наблюдениями за смещениями пород кровли производились замеры ширины раскрытия трещин в шпурах (рис.1).

Рис. 1. Графики смещений контурных реперов ([/*, мм), роста суммарного раскрытия трещин двухметрового приконтурного слоя кровли ^ й- , мм (линии 3 и 4), доли суммарного раскрытия трещин в общей величине смещений кровли (к) (линии 3' и 4') в зависимости от расстояния до очистного забоя (£, м), постоенные по данным измерений в штр. № 607 ш. «Юбилейная» ОАО «Ростовуголь»

Обработка данных замеров в вентиляционном ходке шахты "Соколовская" показала, что смещения кровли происходят только за счет раскрытия трещин в двухметровом приконтурном слое пород. Причем процесс роста суммарной ширины раскрытия трещин имеет незатухающий характер.

Анализ результатов измерений на шахтах «Юбилейная» и «Аютинская» показывает, что зависимость смещений кровли выемочных штреков от суммарного раскрытия трещин в двухметровом приконтурном слое пород при поддержании

выработки вне зоны влияния очистных работ и при её охране со стороны выработанного пространства лав целиками угля шириной не менее 20 м является линейной, а при бесцеликовой охране - нелинейной. По данным замеров была вычислена доля суммарного раскрытия трещин в породах (Щ в общей величине смещений кровли (1^) в зоне влияния очистных работ по формуле: К = (£8-£8°)/ик, где £5°- суммарное раскрытие трещин двухметрового приконтурного слоя пород кровли до начала влияния очистных работ. Величина коэффициента меняется от 0,02 до 0,97.

В штреках №407 и №504 шахты им. 50-летия Октября ОАО "Гуковуголь", в штреке № 130 шахты им. Октябрьской Революции, в бортовом ходке №9 шахты "Глубокая", в штреке №520 шахты "Юбилейная" ОАО "Ростовуголь" были проведены наблюдения за развитием трещин в породах бока выработки, противоположенного лаве. Для этого в одном сечении бурились два-три шпура один над одним. Анализ результатов замеров показал последовательность образования трещин, представленную на рис.2, на котором трещины пронумерованы по мере их появления.

Рис. 2. Характер деформаций и трещинообразования в углевмещающем массиве вокруг горной выработки

5. Методическая база обоснования технических решений по обеспечению устойчивости горных выработок в трещиноватых породных массивах

При введении в модель, характеризующую вероятность разрушения ребер п-го уровня (5), ребер повышенной прочности моделируется применение анкерной крепи. При рассмотрении распределения разрушающих нагрузок с двумя характеристиками прочности ребер Роп и уР0„, где у> 1, а доля прочных ребер равна а, вероятность разрушения ребер п-го уровня определится по формуле:

К </ф(1 + <ф-ехр

+ а

1 -ехр

Лл /

(11)

Численное исследование возникающего рекуррентного соотношения показывает, что зависимость Р„./ от Р„ имеет сложный вид. При у- 10 и доле прочных рёбер а = 0,29 процесс разрушения структуры контролируется только прочными ребрами. При пролете выработки 5 м этот результат достигается установкой одного - двух анкеров в ряд в весьма устойчивых породах, от 3 до 14 анкеров в ряд в устойчивых породах и более 14 анкеров в ряд в породах кровли средней устойчивости, то есть при кровле средней устойчивости этот результат практически недостижим.

При значениях нагрузки, обеспечивающих достижение предельной величины вероятности разрушения в соответствии с соотношением (5), расчеты по формуле (11) дают значения вероятности разрушения непосредственной кровли ниже предельных. В связи с этим автором были разработаны новые технические решения. Одно из которых - новый способ установки металлических анкеров с замками распорного типа, обеспечивающий заданную величину начального распора анкера (рис.3).

Второе техническое решение направлено на обеспечение повышенной несущей способности анкерной крепи в период поддержания выработки после прохода лавы. Его сущность заключается в заполнении шпуров с ранее установлен-

ными анкерами твердеющим составом за лавой на расстоянии шага осадки основной кровли пласта (рис.4).

а) Анкер в установочной трубе б) Анкер после извлечения трубы в) Рабочее положение анкера

Рис. 3 Способ установки анкеров 1 - шпур; 2 - анкерный болт; 3 - клиновой конец анкерного болта; 4 - распорные полумуфты; 5 - установочная труба; 6 - гайка; 7 - гайковерт; 8 - хвостовой конец анкера; 9 - опорная плитка.

/Г 9 *)

а) Схема выемочного штрека б) Узел I

Рнс. 4. Способ усиления анкеров

1- выемочный штрек; 2 - анкер; 3 - опорная плитка; 4 - штуцер; 5 - твердеющий состав; 6 - уплотняющая прокладка; 7 - рамная крепь; 8 - трещина в породе, 9 - стойка; 10 - растворонасос; 11 - гибкий рукав; 12 - отверстие в опорной плитке.

Упрочнение пород нагнетанием скрепляющих составов в предварительно пробуренные шпуры при равномерном распределении состава в массиве моделируется введением характеристики прочности всех рёбер уР0П, где у > 1. При этом вероятность разрушения рёбер п - го уровня вычисляется по формуле:

(12)

Влияние рамной крепи на процессы разрушения пород непосредственной кровли учитывается введением в формулу (5) реакции отпора крепи Рат. В этом случае вероятность разрушения пород кровли определится по формуле:

/ г ^ ^ 2Л

V р +Р" \ оп от V )

(13)

^777777777777777777777//

а) Начальный этап заполнения пустот /2

У? / /У / / г///у / / / / ггтгут/,

б) Заключительный этап заполнения пустот Рис. 5 Способ заполнения пустот вал верхним элементом арочной крепи

1 - карман, заполненный твердеющим матералом;

2 - твердеющий материал

При заполнении пустот над верхним элементом арочной крепи вероятность разрушения пород снижается минимум на 15% по сравнению с вариантом отсутствия заполнения пустот.

Три новых технических решения, разработанных автором, направлены на обеспечение устойчивости пород и предусматривают варианты заполнения пустот над верхним элементом арочной крепи. Первое рекомендуется применять при неустойчивых породах кровли. Оно предусматривает перед возведением арочной крепи установку анкеров в надбермовые породы кровли (рис.5). Второе техническое решение рекомендуется применять при породах кровли средней устойчивости. Оно связано с заполнением эластичных оболочек, уложенных на затяжку над верхним элементом арочной крепи твердеющим составом. Третье решение, являющееся наиболее экономичным способом, рекомендуется для заполнения пустот за крепью выработки, пройденной в устойчивых породах, и заключается в следующем. В закрепном пространстве арочной крепи размещаются и заполняются сжатым воздухом эластичные оболочки (рис.6). Пространство между ними заполняется твердеющим составом. Эластичные оболочки размещаются таким образом, чтобы полоса твердеющего материала находилась непосредственно над верхним элементом крепи. До отвердения состава предотвращение расслоения обеспечивается эластичными оболочками. После отвердения состава оболочки извлекаются для повторного использования.

Анализ фрактальных моделей разрушения пород кровли позволил разработать ограниченно-податливую охранную конструкцию, представляющую собой костёр из шпального бруса, все пустоты в стенках которого и углы внутренней полости заполнены твердеющим материалом (рис. 7), и способ безлюдной выемки крутых тонких угольных пластов, заключающийся в том, что при отработке пласта по простиранию (рис. 8) с выемкой угля в лаве дистанционно управляемым выемочным механизмом и установкой клиновой крепи механизированным крепеустановщиком, вдоль лавы размещают длинномерную гибкую цилиндрическую оболочку, выполненную в виде резиновой трубы с упругими стенками диаметром, равным максимальной величине вынимаемой мощности пласта, вплот-

ную к очистному забою в начале выемочного цикла и перемещают за очистным забоем в конце выемочного цикла.

а) Этап ленточного заполнения пустот

б) Заключительный этап, извлечение эластичных оболочек Рис. 6 Способ ленточного заполнения пустот над верхним элементом арочной крепи 1 - полоса водонепроницаемого материала: 2 - водонепроницаемые карманы: 3 - эластичная оболочка

Рис. 7 Охранная конструкция ограниченной податливости

1 - деревянные элементы конструкций; 2 - твердеющий материал.

Рис. 8 Способ безлюдной выемки крутых пластов

1 - угольный комбайн; 2 - рабочий канат; 3 - гибкая цилиндрическая оболочка; 4 - специальный канат; 5 - клиновая крепь; 6 - крепеустановщик; 7 - канат лебедки.

6. Шахтные исследования эффективности технических решений но обеспечению устойчивости горных выработок в трещиноватых

породных массивах

Испытания способа повышения несущей способности анкерной крепи были проведены в штреке №322 шахты "Юбилейная" ОАО "Ростовуголь".

Штрек был пройден буровзрывным способом по пласту г'/* с присечкой пород почвы. Глубина его расположения в районе опытных участков - 785 м.

Впереди лавы №322 были подготовлены два опытных участка протяженностью по 55 м (50 рядов анкеров) с фиксированной прочностью закрепления их замков, составляющей в среднем 51 кН на первом опытном участке и 63 кН - на втором. На каждом опытном участке было оборудовано по две замерные станции и две замерные станции на контрольном участке.

Создание натяжения определённой величины обеспечило в подавляющем большинстве случаев прочность закрепления замков не менее этой величины.

Предварительное натяжение анкеров на опытных участках было в 4,3 раза больше, чем на контрольном, а средняя прочность закрепления анкеров в 1,35 раза больше, чем на контрольном.

Наблюдения показали, что выполненная впереди лавы экспериментальным способом переустановка анкеров снизила величину суммарного раскрытия трещин на 40-50%, смещения кровли в среднем на 25%.

Шахтные исследования упрочнения пород производились в лавах ШУ "Горняцкое", шахты "Восточная", ШУ "Степановское", шахты им. Октябрьской Революции, шахты "Майская" ОАО "Ростовуголь". В большинстве случаев обеспечивалось предотвращение обрушений пород кровли, которые возобновлялись при прекращении работ по упрочнению до окончания перехода зоны неустойчивой кровли.

В штреке №1003 шахты им. Красина ОАО "Ростовуголь" были проведены работы по апробации технологии арочного крепления с использованием эластичных оболочек, заполняемых твердеющим материалом, и длительные наблюдения за работой этой крепи в различные периоды под держания штрека.

Заполнение эластичных оболочек цементно-песчаным раствором производилось гидромеханическим способом по параллельно-совмещенной схеме. Укладка эластичных оболочек в закрепное пространство над верхними элементами арочной крепи производилась во время затягивания межрамных пролетов.

Шахтные исследования проявлений горного давления включали: определение величин пустот за крепью; толщины заполненных цементно-песчаным раствором эластичных оболочек; глубины и длины пустот, оставшихся за заполненными оболочками; измерение смещений пород на контуре штрека; измерение просадок рам и относительных смещений верхнего элемента и стоек в узлах податливости арочной крепи; фиксацию деформаций ее элементов; оценку состояния крепления.

Наблюдения за смещениями вмещающих штрек пород проводились на 8 замерных станциях, расположенных по две на каждом из двух опытных и двух контрольных участках. На каждой станции измерения проводились в одинаковых

условиях относительно влияния горных работ: начинались с непосредственной близости к проходческому забою и заканчивались в зоне стабилизации смещений за лавой.

До влияния очистных работ наблюдались незначительные смещения породного контура, из них наибольшей величины были опускания кровли. Средняя величина опускания кровли на контрольных участках составила 43 мм, на опытных - 26 мм. Таким образом, применение эластичных оболочек позволило снизить смещения кровли до влияния очистных работ приблизительно на 40%. На контрольных участках вследствие отсутствия контактов элементов арочной крепи с породами непосредственной кровли происходило их обрушение. На опытных участках обрушений пород кровли до влияния очистных работ не наблюдалось.

Влияние очистных работ в штреке начинало сказываться впереди лавы на расстоянии 25 м от линии очистного забоя. Применение эластичных оболочек диаметром 200 мм снизило смещения кровли от влияния первой лавы на 12%, диаметром 400 мм - на 20%.

Проведенные эксперименты подтвердили правильность рекомендаций, выработанных при исследовании фрактальных моделей трещиноватого массива пород.

7. Рекомендации по совершенствованию методов обоснования технических решений, применение которых обеспечивает устойчивость подземных горных выработок в трещиноватом породном массиве

Главным фактором, определяющим потерю устойчивости пород кровли горных выработок, является их трещиноватость. При достижении предельного уровня трещиноватости в соответствии с рекуррентным соотношением (6) происходит разрушение пород непосредственной кровли горных выработок. В связи с этим технические решения по повышению устойчивости выработок должны обеспечивать воздействие на породы непосредственной кровли с целью препят-ствования развитию их трещиноватости.

Использование приведенной фрактальной модели для выбора технических решений по обеспечению устойчивости пород кровли позволяет адекватно анализировать сравнительную эффективность альтернативных вариантов. Данные о трещиноватости пород, получаемые с применением оптического прибора, дают возможность производить расчёты: прочности трещиноватого массива; требуемой величины модуля деформации скрепляющего состава; активной длины анкера и необходимой плотности установки анкеров; нагрузки на искусственные ограждения.

При расчете параметров арочной крепи необходимо учитывать влияние размеров пустот над верхним элементом крепи на смещения пород кровли. Хотя в «Правилах безопасности в угольных шахтах» есть требование о необходимости забутовки пустот, на практике это требование обычно не выполняется в связи с отсутствием достаточно эффективных технических средств.

Исследования трещиноватости пород позволяют более детально анализировать состояние массива пород и производить обоснованный выбор управляющих воздействий, обеспечивающих устойчивость кровли горных выработок и, как следствие, повышение безопасности работ и надёжности производственных процессов, исключающих возможность возникновения чрезвычайных ситуаций.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Б диссертации, являющейся научной квалификационно!! работок, на основании выполненных автором исследований осуществлено решение научной проблемы обеспечения устойчивости подземных горных выработок в трещиноватом породном массиве, имеющей важное значение для угольной промышленности России.

Основные научные и практические результаты сводятся к следующему:

1. Основной причиной потери устойчивости кровли очистных и подготовительных выработок является появление и развитие трещин в породном мас-

сиве. В связи со значительным влиянием на эффективность и безопасность горных работ фактора устойчивости выработок исследование трещиновато-сти является важным моментом в разработке комплекса мер по обеспечению надёжного и стабильного функционирования угольных шахт.

2. Разработаны методические основы фрактального моделирования трещиноватых массивов пород, вмещающих горные выработки, позволяющие создавать модели реальных процессов потери устойчивости кровли.

3. Сформирована методическая база выбора рациональных и разработки прогрессивных технических решений по обеспечению устойчивости пород кровли очистных и подготовительных выработок с использованием фрактальных моделей.

4. Установлено, что рост прочности пород с уменьшением размеров зёрен или с ростом степени метаморфизма вмещаемых ими пластов угля обусловлен возрастанием площади межзерновых контактных поверхностей за счёт увеличения их неровности, вызываемого в первом случае уменьшением размеров зёрен, во втором - увеличением степени неровности поверхности самих зёрен.

5. Установлена закономерность соотношения ширины раскрытия трещины и суммарной ширины раскрытия нижележащих трещин в кровле подготовительной выработки, охраняемой со стороны выработанного пространства лавы искусственными ограждениями, при котором вдоль трещины происходит подвижка слоёв пород друг относительно друга. При этом перемещение слоёв пород и породных блоков вдоль трещины происходит при ширине её раскрытия, превышающей максимальный геометрический размер её неровности, как максимального отклонения отдельных точек поверхности трещины от условной плоской поверхности, секущей трещину в направлении её распространения.

6. На базе результатов исследований трещиноватости пород, вмещающих горные выработки, с использованием фрактальных моделей разработаны прогрессивные технические решения, позволяющие эффективно воздействовать

на процесс развития трещиноватости пород с целью обеспечения устойчивости кровли в подготовительных выработках и призабойном пространстве лав.

7. Проведены шахтные испытания предложенного способа установки металлических анкеров с замками распорного типа, обеспечивающего снижение степени трещиноватости пород приконтурной зоны за счёт повышенной несущей способности анкера при сохранении податливости.

8. Установлена зависимость разности между расчётными и фактическими значениями относительных смещений пород кровли горных выработок от размеров пустот над верхним элементом арочной крепи, позволяющая обосновывать параметры крепи, выявлять необходимость и выбирать технологию заполнения пустот за крепью в конкретных горно-геологических условиях.

9. Проведены шахтные испытания разработанного способа частичного заполнения пустот над верхним элементом арочной крепи, показавшие его работоспособность в части влияния на уменьшение смещений пород, сохранение требуемого сечения выемочной выработки, исключение деформаций элементов арочной крепи.

10. Установлено, что основой разработки прогрессивных технологий очистных работ должно быть эффективное управление процессом раскрытия трещин в породах кровли над призабойным пространством лав при исключении динамической составляющей процессов сдвижений кровли в выработанном пространстве очистных выработок.

И. Результаты исследований вошли в руководящий инструктивно-методический документ и доведены до стадии внедрения на шахтах Восточного Донбасса в практике разработки паспортов выемочных участков и мероприятий по управлению горным давлением в очистных и подготовительных выработках.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикаци-

1. Заворотная C.B., Лугандев Б.Б., Клепикова Н.М. О системно-структурном подходе к выбору технологических схем угольных шахт // Основные направления создания способов управления состоянием угленосной толщи, техники и технологии горных работ на шахтах будущего: Тезисы докладов Всесоюзной научной конференции вузов СССР с участием НИИ 2-3 февраля 1982 г. - М.: МГИ, 1982,- С. 55.

2. Луганцев Б.Б. Сочетание структурных и функциональных аспектов при проектировании шахт // Проектирование высокопроизводительной технологии и техники для шахт: Сб.науч.тр.- М.: МГИ, 1982.- С. 24-25.

3. Жежелевский Ю.А., Луганцев Б.Б. Автоматизированная система анализа и выбора технологических схем угольных шахт II Научные основы шахт будущего: Сб. науч. тр. - М.: МГИ, 1983.- С. 19-22.

4. Луганцев Б.Б. Ранжирование целей и вариантов решений при проектировании шахт // Научные основы шахт будущего: Сб. науч. тр. - М.: МГИ, 1983.- С. 27-28.

5. Бондаренко А.П., Луганцев Б.Б. Анализ тенденций изменения горногеологических условий отработки лав в Восточном Донбассе // Струги и комплексы: Сб. науч. тр. - Шахты: ИГД им. A.A. Скочинского, Шахт-НИУИ, 1989.- С. 48-53.

6". Луганцев Б.Б., Алексеенко В.Н. О возможности применения струговой выемки на шахтах ПО «Шахтуголь // Струги и комплексы: Сб. науч. тр.-Шахты: ИГД им. A.A. Скочинского, ШахтНИУИ, 1989.- С. 110-114.

7. Бондаренко А.П., Луганцев Б.Б. Влияние устойчивости кровли на выбор технологии выемки угля в лаве // Струговая выемка: Сб. науч. тр. -Шахты: ИГД им. A.A. Скочинского, ШахтНИУИ, 1990.- С. 40-50.

8. Луганцев Б.Б., Алексеенко В.Н. Влияние трещиноватости пород на упрочнение кровли полиуретановыми составами // Струговая выемка: Сб.

науч. тр. - Шахты: ИГД им. A.A. Скочинского, ШахтНИУИ, 1990,- С. 5153.

9. Луганцев Б.Б., Беликов В.В., Алекссенко В.Н. Выбор технологии очистных работ для новых шахт Сулинского месторождения // Струговая выемка: Сб. науч. тр. - Шахты: ИГД им. A.A. Скочинского, ШахтНИУИ, 1990.- С. 60-64.

10. Алексеенко В.Н., Луганцев Б.Б., Мартыненко И.И. Патент СССР №1776319, Е21 Д 11/14 от 15.07.1992 г. на изобретение «Арочная податливая крепь». Опубл. 15.11.92. Бюл. №42.

11. Руководство по управлению горным давлением на выемочных участках шахт Восточного Донбасса / А.П. Бондаренко, Б.Б. Луганцев, В.В. Беликов и др. - Шахты: ШахтНИУИ, 1992.- с. 214.

12. Мартыненко И.И., Луганцев Б.Б., Алексеенко В.Н. Патент СССР №1796024, Е21 Д 11/10 от 8.10.1992 г. на изобретение «Способ крепления выемочных выработок». Опубл. 15.02.93. Бюл. №6.

13. Луганцев Б.Б., Мартыненко И.И., Мартыненко И.А. О влиянии пустот за крепью на смещения кровли штреков // Уголь Украины.- 1994.- № 10.-С. 11-12.

14. Патент РФ №2043505, Е21 Д 11/00 от 10.09.1995 г. на изобретение «Способ крепления горных выработок» / И.И.Мартыненко, Б.БЛуганцев, В.В.Быковский, В.Н.Алексеенко. Опубл. 10.09.95. Бюл. №25.

15. Луганцев Б.Б. Фрактальная геометрия массива пород, вмещающего выемочные выработки // Ресурсосберегающие методы и средства разработки угольных месторождений: Тезисы докладов научной конференции Шахтинского института НГТУ. - Новочеркасск: НГТУ, 1995.- С. 45-47.

16. Луганцев Б.Б., Мартыненко И.И., Савин В.А. Патент РФ №2069758, Е21 Д 11/00 от 27.11.1996 г. на изобретение «Способ крепления выемочных штреков». Опубл. 27.11.96. Бюл. №33.

17. Савин В.А., Луганцев Б.Б., Мартыненко И.И. Исследование трещино-ватости пород, вмещающих выемочные выработки, на шахтах АО «Гу-

ковуголь» // Научно-технические проблемы строительства и охраны горных выработок: Сб. науч. тр. - Новочеркасск: НГТУ, 1996.- С. 34-38.

18. Луганцев Б.Б., Посыльный В.В., Фиалкин В.П. Исследование условий поддержания вентиляционного ходка № 4 шахты «Соколовская» // Научно-технические проблемы строительства и охраны горных выработок: Сб. науч. тр. - Новочеркасск: НГТУ, 1996.- С. 38-44.

19. Луганцев Б.Б. Исследование процесса образования трещин в породах, вмещающих выемочные выработки, с использованием фрактальных моделей // Уголь.- 1996.- №12,- С. 54-56.

20. Луганцев Б.Б., Мартыненко И.И., Савин В.А. Патент РФ №2079665, Е21 Д 15/48 от 20.05.1997 г. на изобретение «Костёр для охраны выемочных выработок». Опубл. 20.05.97. Бюл. №14.

21. Луганцев Б.Б., Мартыненко И.И., Быковский В.В. Шахтные исследования способов установки металлических анкеров с замками распорного типа // Научно-технические проблемы разработки месторождений, строительства и охраны горных выработок: Сб. науч. тр. - Новочеркасск: НГТУ, 1997.-С. 190-200.

22. Патент РФ №2083846, Е21 Д 23/03, Е21 С 41/18, Е21 Д 15/28 от 10.07.1997 г. на изобретение «Способ безлюдной выемки крутых тонких пластов» / Б.Б. Луганцев, P.M. Попов, Ю.Д. Стулов, Н.И. Парада, И.И. Мартыненко. Опубл. 10.07.97. Бюл. №19.

23. Патент РФ №2099536 Е21 Д 11/00 от 20.12.1997 г. на изобретение «Способ установки анкера» / Б.Б. Луганцев, Ю.Д. Стулов., Н.И. Парада, И.И. Мартыненко, О.Б. Стулова. Опубл. 20.12.97. Бюл. №35.

24. Луганцев Б.Б., Луганцев Б.Я. Выбор средств механизации очистных работ с учётом вероятности разрушения пород непосредственной кровли пласта // Состояние и перспективы развития техники и технологии очистной выемки угля на шахтах Восточного Донбасса: Тексты докладов научно-практической конференции Южно-Российского отделения Академии горных наук РФ. - Шахты: ЮРО АГН РФ, 1998,- С. 78-82.

25. Луганцев Б.Б., Мартыненко И.И., Стулов Ю.Д. Повышение эффективности крепления горных выработок металлическими анкерами распорного типа // Технология горного производства и социально-экономические проблемы регионов Восточного Донбасса: Сб. науч. тр. -Шахты: ЮРО АГН, 1998.- С. 27-29

26. Луганцев Б.Б. Повышение обоснованности выбора технологических решений по обеспечению устойчивости кровли в выемочных выработках и очистных забоях // Научно-технические и технологические проблемы угледобывающего производства Восточного Донбасса: Сб. науч. тр. -Ростов: Северо-Кавказский научный центр высшей школы, 2001,- С. 104-

109.

Подписано к печати 27.11.01

Формат 60x90/16 Заказ №-/393

Объём 2 п. л.

Тираж 100 экз.

Типография Московского государственного горного университета Ленинский проспект, 6

2.002-4 •, .390

Содержание диссертации, доктора технических наук, Луганцев, Борис Борисович

Введение.

1. Основные направления исследования проблем обеспечения устойчивости подземных горных выработок для эффективного и безопасного ведения горных работ.

1.1. Анализ влияния различных факторов на эффективность работы лав и угольных шахт.

1.2. Обзор классификаций устойчивости пород кровли.

1.3. Анализ результатов исследований трещиноватости и устойчивости горных пород.

ВЫВОДЫ.

2. Методические основы фрактального моделирования трещиноватых породных массивов, вмещающих горные выработки.

2.1. Фрактальная размерность.

2.2. Фрактальные модели случайных процессов.

2.3. Методические принципы моделирования трещин в горных породах и горных массивов с трещинами.

ВЫВОДЫ.

3. Теоретические исследования устойчивости пород кровли подготовительных и очистных выработок.

3.1. Исследования устойчивости трещиноватых пород.

3.2. Количественная оценка устойчивости кровли в призабойном пространстве лав.

3.3. Количественная оценка устойчивости пород в подготовительных выработках.

ВЫВОДЫ.

4. Шахтные исследования трещиноватости породных массивов, вмещающих горные выработки.

4.1. Исследования трещиноватости пород кровли горных выработок.

4.2. Связь трещиноватости и смещений пород.

4.3. Развитие трещиноватости в боках горных выработок.

ВЫВОДЫ.

5. Методическая база обоснования технико-технологических решений по обеспечению устойчивости горных выработок в трещиноватых породных массивах.

5.1. Методические основы учёта влияния упрочнения горных пород, крепи и охранных конструкций на процессы разрушения пород кровли.

5.2. Разработка способов обеспечения устойчивости горных выработок.

ВЫВОДЫ.

6. Шахтные исследования эффективности применения способов обеспечения устойчивости горных выработок в трещиноватых породных массивах.

6.1. Повышение несущей способности анкерной крепи.

6.2. Упрочнение пород'кровли очистных забоев.

6.3. Заполнение пустот над верхним элементом арочной крепи.

ВЫВОДЫ.

7. Рекомендации по совершенствованию методов обоснования способов обеспечения устойчивости подземных горных выработок в трещиноватом породном массиве.

7.1. Общие положения совершенствования выбора технико-технологических решений по обеспечению устойчивости выработок.

7.2. Расчётные методы обоснования эффективных решений.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обеспечение устойчивости подземных горных выработок в трещиноватом породном массиве"

Актуальность проблемы. Весьма важной проблемой подземной разработки месторождений полезных ископаемых на этапе глубокого реформирования отраслей топливно-энергетического комплекса является обеспечение устойчивого состояния породного массива в окрестностях горных выработок с целью создания условий для надёжного выполнения ими своих функций. Решение данной проблемы должно базироваться на многостороннем изучении состояния породного массива, вмещающего горные выработки, и его изменения с течением времени и под воздействием производственных процессов. При этом на первый план выходят исследования механизма изменения состояния пород на контуре горных выработок, смещения которых в очистные или подготовительные выработки приводят к ухудшению их состояния, снижению эффективности и безопасности работ. Известно, что горные породы уже на генетическом уровне поражены трещинами. Рост раскрытия трещин в породном массиве связан со смещением пород в горные выработки. Наличие и развитие трещин приводит к разрушению приконтурного массива пород с вывалообразованием в лавах и выходом из строя подготовительных выработок. Установление закономерностей трещинообразования в приконтурном массиве пород необходимо для обоснования технических и технологических решений, обеспечивающих устойчивость горных выработок, безопасную и стабильную работу шахт.

Расчётные методы обоснования параметров крепи очистных и подготовительных выработок постоянно совершенствуются. Разрабатываются новые виды крепи, реализуются мероприятия по обеспечению устойчивости углевме-щающих породных массивов в окрестности горных выработок. Технические службы шахт разрабатывают паспорта и проекты ведения горных работ в соответствии с отраслевыми нормативными документами, согласовывают их с вышестоящими инстанциями и выполняют все необходимые расчёты, в том числе по выбору крепи и мероприятий по поддержанию горных выработок. Несмотря на это несчастные случаи по причине обрушения пород происходят в два раза чаще, чем травмирование людей машинами и механизмами; потери добычи по горно-геологическим причинам составляют более половины всех потерь добычи угля, в том числе: в лавах - более 50%, в подготовительных выработках -около 30%, в то время как потери добычи в связи с отказами машин и механизмов - около трети всех потерь. На шахтах Восточного Донбасса обрушения пород кровли одновременно происходят почти в 90% лав, они наблюдались в 85% забоев проводимых выработок, приводили к завалам 15% выемочных выработок, причём некоторых неоднократно. Как показывает практика, доминирующим фактором наличия таковых ситуаций является трещиноватость породных массивов.

Таким образом, вышеизложенное свидетельствует об актуальности исследований в направлении разработки и научного обоснования комплексов технико-технологических решений, обеспечивающих устойчивость подземных горных выработок в трещиноватом породном массиве.

Основная идея работы заключается в реализации возможностей фрактальной геометрии при вероятностном описании процесса потери устойчивости выработок для выявления характеристик механизма формирования и развития трещин в углевмещающем массиве.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Фрактальные модели адекватно описывают реальный процесс образования и развития трещин в массивах пород, вмещающих горные выработки, позволяют объективно прогнозировать момент потери устойчивости пород кровли и принимать обоснованные решения по обеспечению эффективности и безопасности горных работ.

4. Повышение прочности горных пород с уменьшением размеров минеральных зёрен или с ростом степени метаморфизма вмещаемых ими пластов угля обусловлено увеличением площади поверхности межзернового контакта, вызванным в первом случае уменьшением размеров зёрен, во втором - возрастанием степени неровности поверхности самих зёрен.

5. Условием начала перемещений слоёв пород и породных блоков является превышение значением ширины раскрытия трещины максимального размера неровности ее поверхности, определяемого как суммарные линейные отклонения точек поверхности трещины от условной гладкой поверхности с фиксированными координатами в пространстве. При этом перемещение слоёв пород в кровле подготовительной выработки друг относительно друга при бесцеликовой её охране со стороны выработанного пространства лавы вдоль одной из трещин расслоения происходит при определённом соотношении ширины раскрытия данной трещины и суммарной ширины раскрытия других трещин расслоения, находящихся ближе к контуру выработки.

7. Развивающееся во времени активное воздействие на процесс развития трещин в породном массиве вокруг горных выработок эффективно реализуется посредством применения предложенных технико-технологических решений, направленных на повышение несущей способности рамной арочной и анкерной крепи, а также охранных конструкций ограниченной податливости.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- представительным объёмом шахтных исследований (247 замерных станций на 14 угольных шахтах);

- удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и шахтных исследований механизма деформирования трещиноватого углевме-щающего массива (расхождение не превышает 20%); экспериментальным подтверждением повышения устойчивости кровли горных выработок при применении предложенного способа установки металлических анкеров с замками распорного типа; положительным опытом испытания в шахтных условиях разработанных технико-технологических решений, обеспечивающих при их применении снижение степени трещиноватости породного массива вокруг горных выработок.

Научная новизна исследований заключается в следующем: установлено, что фрактальные модели адекватно описывают реальный процесс образования и развития трещин в горных породах и могут служить основой для создания расчётных методов определения устойчивости кровли, разработки новых и выбора наиболее эффективных для конкретных горно-геологических условий технико-технологических решений по обеспечению устойчивости кровли в призабойном пространстве лав и подготовительных выработках;

- сформулирована и решена задача определения предельной вероятности разрушения пород кровли горных выработок и очистных забоев при различных видах крепи; установлена зависимость разности между фактическими смещениями кровли выработки и расчётными их значениями, определёнными в соответствии с действующей в угольной отрасли нормативно-технической документацией, от размера пустот над верхним элементом арочной крепи; изучен механизм раскрытия трещин в горных породах в различные периоды поддержания выработок; установлен нелинейный характер зависимости смещений кровли от суммарного раскрытия трещин расслоения двухметрового приконтурного слоя пород кровли подготовительной выработки в период её поддержания в зоне влияния очистных работ при бесцеликовой охране; выявлена возможность существования ситуации, при которой предельные значения смещений кровли обеспечиваются раскрытием видимых трещин двухметрового слоя пород, прилегающего к контуру выработки; установлена закономерность соотношения ширины раскрытия трещины расслоения и суммарного раскрытия других трещин расслоения, находящихся между данной трещиной и контуром выработки, при котором происходит относительное смещение слоёв пород вдоль данной трещины расслоения в кровле горной выработки за очистным забоем при охране выработки без оставления целиков угля.

Научное значение диссертации состоит в разработке методических основ прогнозного выявления предельного состояния трещиноватого породного массива с использованием установленных закономерностей формирования и развития трещин для обоснования и реализации комплексов технико-технологических решений, обеспечивающих устойчивость подземных горных выработок.

Практическое значение работы заключается в следующем:

1. Разработаны, запатентованы и испытаны в шахтных условиях: способ частичного заполнения пустот над верхним элементом арочной крепи с использованием эластичных оболочек, обеспечивающий безремонтное поддержание выработок и повторное использование арочной крепи; способ установки металлических анкеров с замками распорного типа, обеспечивающий снижение роста трещин в породах кровли и повышение их устойчивости.

3. Разработан инструктивный документ по техническому обеспечению безопасного и эффективного ведения горных работ в пределах выемочных участков шахт Восточного Донбасса.

Реализация результатов работы.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и получили одобрение на: «Всесоюзной научной конференции вузов СССР с участием НИИ» (Москва, 1982); «Научной конференции Шахтинского института НГТУ» (Шахты, 1995); «Научно-практической конференции ЮжноРоссийского отделения Академии горных наук РФ» (Шахты, 1998); «50-й Юбилейной региональной научно-производственной конференции» (Шахты, 2001); на заседаниях: учёного совета Шахтинского научно-исследовательского и про-ектно-конструкторского угольного института (Шахты, 1988-2001), научно-технических советов акционерных обществ «Ростовуголь» и «Гуковуголь» (Шахты-Гуково, 1992-1996, 2001), научном семинаре кафедры подземной разработки пластовых месторождений МП У (Москва, 2001).

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Луганцев, Борис Борисович

ВЫВОДЫ

1. Свидетельством несовершенства традиционного способа установки анкеров с замками распорного типа стали результаты исследования прочности закрепления замков анкеров, установленных традиционным способом, в штреке № 322 ш. «Юбилейная», которые показали, что разброс значений прочности составляет 81% . Причем несущая способность большей части анкеров оказалась ниже нормативной.

2. Применение предложенного способа установки анкеров обеспечивает более высокое предварительное натяжение анкеров и повышение их работоспособности в среднем в 2,3 раза по сравнению с анкерами, установленными традиционным способом. Замеры раскрытия трещин и смещений пород, начинавшиеся в 40 м впереди и заканчивавшиеся в 100 м позади лавы № 322, показали, что применение предложенного способа установки анкеров обеспечило среднее снижение суммарного раскрытия трещин в приконтурном массиве пород на 40%-50%, смещений кровли - на 25%.

3. Эксперименты, проводившиеся на ряде шахт ОАО «Ростовутоль», показали возможность упрочнения пород кровли в призабойном пространстве лав нагнетанием скрепляющих составов с прекращением вывалообразования. При этом прекращение выполнения мероприятий по упрочнению пород до окончания перехода зоны неустойчивой кровли приводило к возобновлению обрушений пород.

4. Замеры пустот над верхним элементом арочной крепи в штреке № 1003 шахты им.Красина, проводившиеся после установки рам в проходческом забое, показали что средняя величина пустот превышает регламентируемую почти в 2 раза и составляет 0,36 м при разбросе значений от 0,09 до 0,79 м. Значительные размеры пустот позволяют породам кровли смещаться без отпора крепи, что в отдельных случаях приводит к их обрушению с погашением участков выработок, как это было в штреках № 41 и № 1005 ш. им. Красина.

5. Заполнение, располагаемых над верхним элементом арочной крепи, эластичных оболочек твердеющим материалом в штреке № 1003 привело к обеспечению контакта крепи с кровлей в среднем на 57% длины верхнего элемента арочной крепи с коэффициентом заполнения пустот от 0,55 до 1,00. Причем глубина 70% остаточных пустот составляла менее 50 мм, а длина 80% остаточных пустот по продольной оси верхнего элемента арочной крепи не превышала 0,60 м. Таким образом, заполнение эластичных оболочек твердеющим материалом привело к обеспечению жесткой кинематической связи крепи с породами кровли.

6. За счет обеспечения контакта крепи с кровлей на опытных участках до влияния очистных работ смещение кровли были на 40% меньше, чем на контрольных. Причем, в отличие от контрольных участков на опытных не наблюдались обрушения пород кровли. В зоне влияния очистных работ, при проведении измерений до точки — 210 м за лавой, на опытных участках смещения кровли были в среднем на 15% ниже, чем на контрольных. При этом 95% верхних элементов крепи и 88% стоек на контрольных участках были деформированы, в то время как верхние элементы и стойки рам с эластичными оболочками не подверглись деформации. Применение предложенного способа заполнения пустот над верхними элементами арочной крепи в штреке № 1003 обеспечило возможность его безремонтного повторного использования.

7. Проведенные шахтные эксперименты убедительно продемонстрировали эффективность предложенных геотехнологических решений, выработанных при исследовании фрактальных моделей трещиноватого породного массива вокруг подземных горных выработок.

ГЛАВА 7. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ МЕТОДОВ ОБОСНОВАНИЯ СПОСОБОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК В ТРЕЩИНОВАТОМ ПОРОДНОМ МАССИВЕ

7.1. Общие положения совершенствования выбора технико-технологических решений по обеспечению устойчивости выработок

Главным фактором, определяющим потерю устойчивости пород кровли горных выработок, является их трещиноватость. При достижении предельного уровня трещиноватости в соответствии с рекуррентным соотношением (2.14) происходит разрушение пород непосредственной кровли горных выработок. Технологические решения, направленные на повышение устойчивости кровли горных выработок, должны обеспечивать снижение уровня трещиноватости пород.

Основным принципом должно быть воздействие на породы непосредственной кровли с целью препятствования развитию трещиноватости. Воздействие на процесс развития трещиноватости возможно проведением мероприятий по упрочнению пород или обеспечению подпора кровли крепью.

При креплении выработок анкерами в соответствии с формулой (5.1) важную роль играет начальный распор анкера, чем выше сопротивление анкера, тем меньше вероятность разрушения непосредственной кровли. Поэтому предпочтительной является установка анкеров с высоким начальным распором при сохранении податливости. У металлических анкеров с замками распорного типа начальный распор зависит от способа установки. Создание и применение способов установки металлических анкеров с замками распорного типа с высоким начальным сопротивлением является простым решением проблемы.

После прохода лавы нагрузка на непосредственную кровлю выработки резко возрастает, растет количество трещин и ширина их раскрытия, поэтому для поддержания устойчивого состояния пород во время повторного использования горной выработки рекомендуется применение способов упрочнения анкеров заполнением шпуров твердеющим материалом. Это обеспечивает повышение сопротивления анкеров, а за счет распространения твердеющего состава по трещинам в соответствии с формулой (2.15) снижает нагрузку на породы непосредственной кровли.

При арочном креплении горных выработок для снижения трещиновато-сти пород кровли необходимо заполнение пустот над верхним элементом арочной крепи. При этом положительный эффект возможен как при применении способов сплошного заполнения пустот, так и способов частичного заполнения только над собственно верхними элементами арочной крепи в зависимости от степени устойчивости пород кровли. Чем менее устойчивы породы кровли, тем более полным должно быть заполнение пустот за верхним элементом арочной крепи.

Наиболее сложным является условия поддержания выработки на сопряжении с очистным забоем. Возможность обеспечения устойчивости сопряжения выработки с очистным забоем взаимосвязана с технологической эффективностью проведения выработки, схемы сопряжения.

Более эффективной является технология проходки выработки с подрывкой кровли без нарушения сплошности почвы /100/. В то же время более благоприятные условия обеспечения устойчивости кровли создаются при проведении выработки с подрывной почвы без нарушения сплошности кровли. Подрывка почвы необходима для обеспечения перегруза угля с лавного конвейера на штрековый или в вагонетки. Для снижения трудозатрат более предпочтительным является вынос приводных станций лавного конвейера в подготовительные выработки, но это ухудшает условия обеспечения устойчивости пород кровли на сопряжении в связи с необходимостью снятия рамкой крепи впереди лавы с восстановлением их после её прохода, а также необходимостью порыв-ки кровли на пластах мощностью менее 1 метра.

В связи с вышеизложенным обеспечение устойчивости пород кровли на сопряжении подготовительной выработки с лавой возможно при правильном решении следующих вопросов :

- выбора схемы сопряжения, в том числе вида подрывки боковых пород;

- выбора способов и средств усиления крепи выработки на сопряжении с лавой и обеспечения устойчивости пород бермы;

- выбора способов, средств охраны выработки и их параметров.

При весьма устойчивых породах кровли схема сопряжения и вид подрывки боковых пород могут быть любыми, должны применяться средства усиления крепи выработки и жесткие охранные конструкции. В устойчивых породах при верхней подрывке следует предусматривать анкерование надбермовых пород. В породах средней устойчивости и ниже средней устойчивости проходка выработок должна осуществляться без подрывки кровли пласта при планировании бесцеликовой отработки лав. При проведении выработок с верхней подрывкой для обеспечения устойчивости кровли следует оставлять целики для охраны выработок. Исследования показали, что при ширине целиков менее 5 метров закономерности развития трещиноватости пород кровли и боков выработки аналогичны существующим при бесцеликовой выемке. При размерах целиков более 20 метров рост трещин в породах кровли горной выработки после прохода лавы незначителен почти на всем её протяжении за исключением мест сопряжений углеспускных печей с выработкой. На сопряжении углеспу-скной печи с выработкой обычно наблюдается непрерывный рост трещин. А зависимость смещений кровли от суммарного раскрытия трещин в породах аналогична наблюдаемой при бесцеликовой выемке. При отсутствие заполнения пустот над верхним элементом арочной крепи вывал пород кровли в месте сопряжения выработки с углеспускной печью на затяжку рам приводил к падению десятков рам, что классифицировалось как завал выработки. Для обеспечения устойчивости выработок заполнение пустот над верхним элементом арочной крепи должно быть выполнено как минимум в месте сопряжения выработки с углеспускной печью.

При охране подготовительных выработок со стороны выработанного пространства лав искусственными ограждениями и управлении кровлей в лаве полным обрушением смещение пород кровли во многих случаях столь велики, что повторное использование этих выработок в качестве вентиляционных при отработке нижележащей лавы оказывается невозможным. Причина такого положения заключается в недостаточной эффективности применяемых охранных конструкций. Одни конструкции являются слишком податливыми и не в состоянии противодействовать смещениям пород кровли пласта, другие — имеют недостаточную податливость и теряют несущую способность, разрушаясь или вдавливаясь в породы почвы пласта. Чем менее устойчивы породы кровли, тем менее жесткой должна быть охранная конструкция. В наиболее распространенных условиях при залегании в кровле пласта пород средней устойчивости наиболее предпочтительным является применение охранных конструкций ограниченной податливости, представленных деревянно-бетонными кострами и тумбами из деревянно-бетонных блоков.

Поддержание пород средней устойчивости и ниже средней устойчивости на сопряжении повторно используемой выработки со второй лавой обычно невозможно без оставления целиков угля шириной 3-5 метров и применения крепи усиления.

Обеспечение устойчивости пород кровли на концевом участке лавы связано с состоянием выработки на сопряжении с лавой, способом зарубки выемочной машины и технологией выемки угля в лаве /100/. Наличие подрывки кровли в прилегающей выработке увеличивает вероятность обрушений пород на концевом участке лавы. При прогнозировании обрушений пород необходимо планировать проведение специальных мероприятий по их упрочнению. В зависимости от трещиноватости пород это могут быть: установка анкеров со сплошным закреплением в шпуре, нагнетание скрепляющих составов в породы кровли через предварительно пробуренные шпуры или совместное применение этих способов. Выполняться эти мероприятия должны из прилегающей выработки, причем анкера должны устанавливаться впереди лавы вне зоны опорного давления, а упрочнение пород кровли нагнетанием скрепляющих составов в непосредственной близости от забоя лавы.

При наличии ниш предотвращение обрушений кровли должно обеспечиваться устанавливаемой в нишах крепью.

При зарубке комбайна косыми заездами площадь незакрепленной кровли на концевом участке в 2-6 раз превышает площадь незакрепленной кровли при задвижке секций крепи за комбайном на линейной части лавы. В связи с этим зарубка комбайна косыми заездами может производиться при устойчивости кровли не ниже средней.

При зарубке выемочной машины из прилегающей выработки, пройденной без подрывки кровли, положение на концевом участке не отличается от того, что характерно для всей лавы.

Обеспечение устойчивости кровли в призабойном пространстве лав должно достигаться в основном за счет правильного выбора способа управления кровлей, крепи, средств механизации и технологии очистных работ /120/.

Наиболее эффективное управление процессом развития трешин и обеспечение устойчивости пород кровли в призабойном пространстве лав достигается при отсутствии динамической составляющей процесса сдвижений кровли в выработанном пространстве. В этом плане способ управления кровлей полным обрушением является наименее эффективным и безопасным. Его кажущаяся дешевизна в результате дорого обходится за счет роста травматизма, потерь угля в целиках, простоев из-за завалов лав, засорения угля породой при вывалообразовании в очистном забое. Более перспективным и прогрессивным является применение способов управления кровлей, исключающих обрушение пород в выработанном пространстве лав.

Применяемые средства механизации очистных работ можно классифицировать по типу выемочной машины, схеме выемки и последовательности передвижки мехкрепи, типу консоли мехкрепи /95/. Полученная классификация приведена в табл. 7.1.

3 АКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, являющейся научной квалификационной работой, на основании выполненных автором исследований изложены научно обоснованные технико-технологические решения, использование которых позволяет обеспечить устойчивость подземных горных выработок в трещиноватом породном массиве, что вносит значительный вклад в развитие угледобывающей отрасли.

Основные научные и практические результаты сводятся к следующему:

1. Производственный опыт и многочисленные исследования позволяют с должной степенью достоверности утверждать, что основной причиной потери устойчивости кровли очистных и подготовительных выработок является появление и развитие трещин в породном массиве. В связи с этим установление закономерностей образования трещин является базовым условием действенности технико-технологических решений, предусматривающих обеспечение безопасного состояния горных выработок, играющего важную роль в повышении эффективности процессов угледобычи.

2. Разработаны методические принципы математического моделирования трещиноватого породного массива в окрестностях горных выработок на основе аппарата фрактальной геометрии, расширяющие возможности обоснованного совершенствования способов и средств обеспечения устойчивости выработок.

3. Сформирована методическая база выбора рациональных и разработки прогрессивных технико-технологических решений по обеспечению устойчивости пород кровли очистных и подготовительных выработок с использованием фрактальных моделей.

4. Установлено, что рост прочности пород с уменьшением размеров минеральных зёрен и с ростом степени метаморфизма разрабатываемых пластов угля обусловлен увеличением площади межзерновых контактных поверхностей за счёт их неровности, вызываемой в первом случае уменьшением размеров зёрен, во втором — увеличением степени неровности поверхности самих зёрен.

5. Выявлена закономерность изменения соотношения ширины раскрытия трещины и суммарной ширины раскрытия нижележащих трещин в кровле подготовительной выработки, охраняемой со стороны выработанного пространства лавы искусственными ограждениями, при котором вдоль трещины происходит подвижка слоёв пород друг относительно друга. Доказано, что при этом перемещение слоёв пород и породных блоков вдоль трещины происходит при ширине её раскрытия, превышающей максимальный геометрический размер её неровности, как максимального отклонения отдельных точек поверхности трещины от условной плоской поверхности, секущей трещину в направлении её распространения.

6. На базе результатов исследований трещиноватости пород, вмещающих горные выработки, с использованием фрактальных моделей разработаны прогрессивные способы эффективного воздействия на процесс развития трещиноватости пород с целью обеспечения устойчивости кровли в подготовительных выработках и призабойном пространстве лав.

8. Установлена зависимость разности между расчётными и фактическими значениями относительных смещений пород кровли горных выработок от размеров пустот над верхним элементом арочной крепи, позволяющая обосновывать рациональные параметры крепи, выявлять необходимость и выбирать технологию заполнения пустот за крепью в конкретных горно-геологических условиях.

11. Результаты исследований вошли в руководящий инструктивно-методический документ и доведены до стадии внедрения на шахтах Восточного Донбасса в практике разработки паспортов выемочных участков и мероприятий по управлению горным давлением в очистных и подготовительных выработках.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Луганцев, Борис Борисович, Шахты

1. Бондаренко А.П., Луганцев Б.Б. Анализ тенденций изменения горногеологических условий отработки лав в Восточном Донбассе. Сб. «Струги и комплексы».- Шахты: ИГД им. A.A. Скочинского, ШахтНИУИ, 1989.- С. 48-53.

2. Жежелевский Ю.А., Луганцев Б.Б. Автоматизированная система анализа и выбора технологических схем угольных шахт. Сб. «Научные основы шахт будущего».- М.: МГИ, 1983.-С. 19-22.

3. Луганцев Б.Б. Ранжирование целей и вариантов решений при проектировании шахт. Сб. «Научные основы шахт будущего».- М.: МГИ, 1983.- С. 2728.

4. Луганцев Б.Б. Сочетание структурных и функциональных аспектов при проектировании шахт. Сб. «Проектирование высокопроизводительной технологии и техники для шахт».- М.: МГИ, 1982.- С. 24-25.

5. Малинин С.И Геологические основы прогноза поведения пород в горных выработках по разведочным данным.- М.: Недра, 1970.-192 с.

6. Васильев П.В., Иванов К.И., КарнышевА.Д. Управление кровлей на пологих пластах.-М.: Госгортехиздат, 1962.- 251 с.

7. Руководство по управлению кровлей и креплению очистных забоев на пластах с углом падения до 35 градусов.- Донецк: ДонУГИ, 1976.- 108 с.

8. Овчаренко Б. П., Овчаренко Г.В., Дмитриев П.Н. Влияние физико-механических свойств горных пород и геологических факторов на устойчивостькровли в условиях Донбасса.// Изв. Вузов. Горный журнал.-1986.-№1.- С. 85.

9. Временные указания по управлению горным давлением в очистных забоях на пластах мощностью до 3,5 м с углом падения до 35 градусов. -JL: ВНИМИ, 1982.-136 с.

10. Фисенко Г.Л. Предельные состояния горных пород вокруг горных вы-работок.-М.: Недра, 1976.- 272 с.

11. Борисов А.А., Матанцев В.И., Овчаренко Б.П., Воскобоев Ф.Н. Управление горным давлением.- М.: Недра, 1983.- 168 с.

12. Васильев П.В., Малинин С.И. Влияние основных геологических факторов на поведение пород в горных выработках. -М.: Госгортехиздат, 1960.242 с.

13. Фармер Я. Выработки угольных шахт. Перев. с англ.- М.: Недра, 1990.- 270 с.

14. Смехов Е.М. Закономерности развития трещиноватости горных пород и трещинные коллекторы.// Труды ВНИГРИ, вып. 172. JL: Гостоптехиздат, 1961.- С. 17-23.

15. Zener G. Fracturing of Metals.// Amer. Sos. Metals, Cleveland: 1948.- P.3.

16. Deruyttere A., Greenough G.B. J.Inst.Metals, №84, 1956.- P.377.

17. Cottrell A.N. Trans. AIME, №212, 1958.- P.192.

18. Orowan E. Dislocations in Metalls// American Institute of Miming and Metallurgical Engineers, №4, 1954.- P.69.

19. Stroh A.H. Advances in Physices, №6, 1957.- P.418.

20. Stroh A.H. Phil. Mag., №3, 1958.- P.597.

21. Gilman J.J. Trans AJME, №212, 1958.- P.783.

22. Low J.R. Relation of Properties to Microstructure //Amer. Soc.Metals, Cleveland,1954.- P. 163.

23. Owen W.S.,Averbach B.L., Cohen M. Trans. Amer. Soc. Metals, №50, 1958.- P.634.

24. Невский В.А. Генетическая классификация трещин горных пород // «Геология и разведка». Известия ВУЗов, №3, 1964.- С. 14-26.

25. Ажгирей Г.Д. Структурная геология.- М.: МГУ,1956.- 256 с.

26. Косыгин Ю.А. Основы тектоники нефтяных областей.- М.: Гостоптех-издат, 1952.- 132 с.

27. Белоусов В.В. Тектонические разрывы, их типы и механизм образования.- М.: Труды ГФИ АН СССР, №17, 1952.- С.1218-1226.

28. Невский В.А. Об одном примере влияния взрывных работ на особенности трещенной тектоники горных пород.-М.: ДАН СССР, т. 139, №6, 1961.-С.1438-1441.

29. Перменов E.H. Тектоническая трещиноватость Русской платформы.-М.: Моск. общ. испытаний природы, 1949, вып. 12,16.

30. Лыков И.Ф. Гипотеза о направлении кливажа и трещины в массиве горных пород // Уголь.- 1968.- №2.- С.10-14.

31. Бублик Ф.П., Иванов Г.А. Влияние трещиноватости на прочность угольного массива // Уголь. -1966.- №6. С.47-58.

32. Бич Я.А., Егоров П.В. Исследования в натурных условиях влияния трещиноватости угольного пласта на характер деформирования и несущую способность его краевой части. // Сб. трудов ВНИМИ.- Л., №60, 1966.- С.332-347.

33. Филатов H.A. Зависимость прочностных и деформационных свойств образцов на эквивалентных материалах от направления их слоистости. // Сб.трудов ВНИМИ.- Л., №60, 1966.- С.41-53.

34. Ержанов Ж.С. и др. Напряженное состояние одиночных выработок в наклонно слоистом горном массиве.- Алма-Ата: Наука, 1967.- 113 с.

35. Савин Г.Н. Влияние крепления на распределение напряжений возле узких подземных горных выработок. // Записки Института горной механики АН УССР.- Киев, №5, 1947,- С.121-136.

36. Грохотов Ф.И. Обоснование условий устойчивости выработок и параметров технологий угледобыче на базе прочностных и структурных характеристик вмещающих пород. Дис.на соиск. уч. степ. докт. техн. наук.- М.: МГГУ, 1998.- 343 с.

37. Борисов А.А. Механика горных пород и массивов. М.: Недра, 1980.360 с.

38. Проскуряков Н.М. Управление состоянием массива горных пород. -М.: Недра, 1991.-368 с.

39. Шубин И.Н. Определение степени трещиноватости скальных пород в тоннельных выработках. // Транспортное строительство, №12,4-960.- С.20-21.

40. Мечиков О.С. Определение кусковатости взорванной массы и изучение трещиноватости горных пород фотограметрическим способом. Дисс. на соиск. уч. степ, канд.тех.наук.- М.: МГИ, 1958.-301 с.

41. Корягин А.В., Никитин В.А. Определение глубин поверхностных трещин флуоресцентным методом. // Известия АН СССР, №6,1951.- С. 968-976.

42. Королев А.В. Методы изучения мелкой трещиноватости горных пород. // Труды института геологии АН УзССР.-Ташкент, 1951. С. 183-191.

43. Нейштадт Л.И. Опыт количественного учета трещиноватости в целях инженерно-геологической оценки горных пород. — М.: Металлург. Сб. материалов по инженерной геологии, вып. №4, 1953. — С. 153-158.

44. Протодьяконов М.М. Исследование хрупкости и вязкости углей и пород. В кн. «Разрушение углей и пород».- М.: Углетехиздат, 1958. С.47-82.

45. Протодьяконов М.М., Чирков С.Е. Трещиноватость и прочность горных пород в массиве. Сб. трудов. М.: Наука, 1964. — С.64-66.

46. Harley G., Propsed Ground Classification for Mining Purposed // Engineering and Mining Jornal, 122, 10, 1926.

47. Ржевский В. В., Новик Г. Я. Основы физики горных пород. -М.: Недра, 1973.-286 с.

48. Ставрогин А.Н. , Протосеня А.Г. Прочность горных пород и устойчивость выработки набольших глубинах. -М.: Недра, 1985.-271 с.

49. Свойства горных пород при разных видах и режимах нагружения / А.И. Берон, Е.С. Ватолин, М.И. Койфман и др.-М.: Недра,1984.-276 с.

50. Кацауров И. Н. Механика горных пород. -М.: Недра, 1981.- 166 с.

51. Jrwin G.R. Jinear Fracture mechanics, Fracture transition and fracture control // Engineering fracture mechanics 1968. vol 1 , №2 . P. 241-257.

52. Rumpf H. Physical aspects comminution and new formulation of Low of comminution // Powder technology. 1972. Vol.7 , №3.- P.212-220.

53. Зональная дезинтеграция горных пород вокруг подземных выработок. Данные Натурных наблюдений / Е.И. Шемякин, Г.Л. Фисенко, М. В. Курленя и др. // ФТРПИ. -1986. -№ 3. -С.3-15.

54. Зональная дезинтеграция горных пород вокруг подземных выработок. Разрушение горных пород на моделях из эквивалентных металлов / Е.И. Шемякин, Г.Л. Фисенко, М.В. Курленя и др. // ФТРПИ. -1986. -№4. С.3-13

55. Зональная дезинтеграция горных пород вокруг подземных выработок. Теоретические представления. / Е.И. Шемякин, Г.Л. Фисенко, М.В. Курленя и др. // ФТРПИ.-1987. -№1.- С. 3-8.

56. Открытие № 400 Явление зональной дезинтеграции вокруг подземных выработок // Шемякин Е. И. , Курленя М.В., Опарин В. Н. и др. Опубл. в Б.И., 1992, №1

57. Зональная дезинтеграция пород вокруг горных выработок на больших глубинах / Э.А. Тропп, М. А. Розенбаум, В.Н. Рева, Ф. П. Глушихин.- Л.: ФТИ АН СССР , 1985.-С. 18-34.

58. Adams G. R., Jager A. J. Petroscopic observation of rock fracturing akead of stope faces in deep level gold mines // SAIMM- Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy.- 1980. -vol. 80.- №6.

59. Дмитриев В. А. Формирование зон упругого восстановления и зон сжатия вокруг горных выроботок//Уголь.- 1983.-№12.-С.12-17.

60. Курленя М. В. Опарин В.Н. Ерёменко A.A. Об отношении линейных размеров блоков горных пород к величинам раскрытия трещин в структурной иерархии массивов // ФТПРПИ.- 1993.- №3.- С. 3-10.

61. Луганцев Б.Б., Посыльный В.В., Фиалкин В.П. Исследование условий поддержания вентиляционного ходка № 4 шахты «Соколовская». // Научно-технические проблемы строительства и охраны горных выработок. Сб. науч. тр.- Новочеркасск: НГТУ, 1996.- С. 38-44.

62. Griffits A.A. The phenomena of rupture in solids.-Vol. 221, A587, 20ctober, 1920.- P.163-198.

63. Родин P.A. О механизме роста трещины при разрушении упруго-хрупкого тела // Изв. Вузов. Горный журнал.-1991.-№10.- С.5-12.

64. Борулев А.Д., Круцан В.С, Макеев В.К., Подымов В.В. Кинетическая модель динамического деформирования и разрушения горных пород. Часть 1: Физическое построение // ФТПРПИ.- 1992.-№3.-С.36-46.

65. Борулев А.Д., Круцан B.C., Макеев В.К, Подымов В.В. Кинетическая модель динамического деформирования и разрушения горных пород. Часть 2: Математическое описание процесса разрушения // ФТПРПИ.-1992.-№4.-С.30-37.

66. Ставрогин А. Н., Протосеня А.Г. Прочность горных пород и устойчивость выработок на больших глубинах. М.: Недра, 1985.-256 с.

67. Регель В.Р., Слуцкер А. И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твёрдых тел. М.: Наука, 1974.-132 с.

68. Кандауров И.И. Механика зернистых сред и её применение в строительстве.- М.: Стройиздат, 1966.-141 с.

69. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятностей и математической статистики. М.: Наука, 1969.-289 с.

70. Чертков В.Я. О формировании осколков при множественном трещи-нообразовании в хрупкой горной породе. // ФТПРПИ.- 1985.- №6.-С.18-23.

71. Черепанов Г.П. Современные проблемы механики разрушения // Проблемы прочности.-1987.-№6.-С.29-31.

72. В.Н. Потураев, А.Ф.Булат, В.Г.Колесников. Физико-механические аспекты разрушения горных пород и проблемы геомеханики // ФТПРПИ.- 1991.-№2 .-С. 35-41.

73. М.В. Кавлакан. О влиянии неоднородной структуры вмещающих пород на распределение опорного давления // ФТПРПИ.-1988.-№1.- С. 3-9.

74. Об одном методе оценки напряженного состояния массивов горных пород / М.В. Курленя , В.Н. Опарин, В.Н.Рева, Ф.П. Глушихин, М.А.Розенбаум, А.П.Тапсиев. // ФТПРПИ.-1992.-№5.-С.З-7.

75. С.Ф.Алексеенко. Современные представления о деформировании и разрушении горных пород.- М.: 1985.- С. 83.

76. С.Ф.Алексеенко. Исследование напряжённого состояния породного массива в окрестности горной выработки // Изв. Вузов. Горный журнал.-1989.-№9.- С.24-28.

77. А.И.Шмелёв. Исследование деформаций в породах, окружающих горные выработки, на глубоких шахтах Донбасса // Проектирование и реконструкция угольных предприятий.- 1966.- №10.- С. 16-19.

78. К.В. Кошелев, В.Ф. Трумбачев. Повышение устойчивости капитальных горных выработок на больших глубинах .- М.: Недра, 1972.-155с.

79. А.Б. Байбатчаев. Тектоническая природа анизотропии физико-механических свойств горных пород // Изв. вузов. Горный журнал.-1990.-№6.-С. 1-5.

80. Гзовский M.B. Основы тектонофизики.- M.: Недра, 1975. 536 с.

81. Чабдарова Ю.И., Жужгов Ю.В., Букин А.Н. Горное давление в антиклинальных структурах Джезгазгана.- Алма-Ата: Наука, 1980.- 143 с.

82. Байбатчаев А.Б. Тектонофизический прогноз естественного напряжённо-деформированного состояния терригенных пород.// Изв. вузов. Горный журнал.- 1992.- № 3.- С. 6-9.

83. Жданкин H.A., Колоколов С.Б. Об интерпритации экспериментальных данных при измерении напряжений.// ФТПРПИ.- 1990.- №1.-С. 53-57.

84. Курленя М.В., Попов С.Н. Теоретические основы определения напряжений в горных породах.- Новосибирск: Наука, 1983 .-283с.

85. Ставрогин А.Н. Исследование предельных состояний и деформаций горных пород.// Изв. АН СССР. Физика Земли.- 1969.- №12.-С.31-36.

86. Черняк И.Л. Определение коэффициента разрыхления массива пород вокруг горных выработок // Технология добычи угля подземным способом,-1968.- № 7.-С.23-25.

87. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Пластичность горных пород.- М.: Недра, 1979.-326 с.

88. Черняк И.Л., Бурчаков Ю.И. Управление горным давлением в подготовительных выработках глубоких шахт.- М.: Недра, 1984.-246 с.

89. Ставрогин А.Н. Тарасов Б.Г., Ширкес O.A. Статистическая модель деформации неоднородных твёрдых тел ( горных пород ) в усовиях высоких давлений и больших деформаций // ФТПРПИ.- 1990.- № 1.- С. 10-17.

90. Michael F. Barnsley, Robert L. Devaney, Benoit В. Mandelbrot et al: The science of fractal images.- New York etc: Springer, 1988.- P. 312.

91. Pietronero L. and Tosatti E. (editors) Fractals in Phisics.- Elsevier science Publishers B.V., 1986.-P.311.

92. Луганцев Б.Б. Исследование процесса образования трещин в породах, вмещающих выемочные выработки, с использованием фрактальных моделей // Уголь.- 1996.- №12.- С. 54-56.

93. Кравченко В.И. Предупреждение завалов очистных забоев.- М.: Недра, 1970.- 200 с.

94. Бондаренко А.П., Луганцев Б.Б. Влияние устойчивости кровли на выбор технологии выемки угля в лаве. // Струговая выемка.Сб. науч. тр.- Шахты: ИГД им. A.A. Скочинского, ШахтНИУИ, 1990.- С. 40-50.

95. Хорин В.Н. Расчёт и конструирование механизированных крепей.- М.: Недра, 1988.- 255 с.

96. Кратч Г. Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений." М.: Недра, 1978.- 494 с.

97. Руководство по управлению горным давлением на выемочных участках шахт Восточного Донбасса / А.П. Бондаренко, Б.Б. Луганцев, В.В. Беликов и др. Шахты: ШахтНИУИ, 1992.- С. 214.

98. Байбатчаев А.Б. Классификация устойчивости кровли и составление прогнозных картограмм // Уголь.- 1986.- №2.- С. 4-6.

99. Луганцев Б.Б., Мартыненко И.И., Мартыненко И.А. О влиянии пустот за крепью на смещения кровли штреков // Уголь Украины.-1994.- № 10.- С.11-12.

100. Инстукция по выбору рамной металлической податливой крепи горных выработок.- Л.: ВНИМИ, 1986.- 50 с.

101. Методические указания по исследованию горного давления в угольных и сланцевых шахтах,- JL: ВНИМИ, 1973.- 28 с.

102. Методы и средства решения задач горной геомеханики / Г.Н. Кузнецов, К.А. Ардашев, Н.А. Филатов и др.- М.: Недра, 1987.-122 с.

103. Методические указания по решению практических задач управления горным давлением на шахтах.- JL: ВНИМИ, 1986.-98 с.

104. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР.- JL: ВНИМИ, 1985.- 222 с.

105. Луганцев Б.Б. Фрактальная геометрия массива пород, вмещающего выемочные выработки // Ресурсосберегающие методы и средства разработки угольных месторождений. Тезисы докладов научной конференции Шахтинско-го института НГТУ. Шахты: НГТУ, 1995.-С. 45-47.

106. Патент РФ №2099536 Е21 Д 11/00 от 20.12.1997 г. на изобретение «Способ установки анкера» / Б.Б. Луганцев, Ю.Д. Стулов., Н.И. Парада, И.И. Мартыненко, О.Б. Стулова. Опубл. 20.12.97. Бюл. № 35.

107. Луганцев Б.Б., Мартыненко И.И., Савин В.А. Патент РФ №2069758, Е21 Д 11/00 от 27.11.1996 г. на изобретение «Способ крепления выемочных штреков». Опубл. 27.11.96. Бюл.№ 33.

108. Алексеенко В.Н., Луганцев Б.Б., Мартыненко И.И. Патент СССР №1776319, Е21 Д 11/14 от 15.07.1992 г. на изобретение «Арочная податливая крепь». Опубл. 15.11.92. Бюл. № 42.

109. Мартыненко И.И., Луганцев Б.Б., Алексеенко В.Н. Патент СССР №1796024, Е21 Д 11/10 от 8.10.1992 г. на изобретение «Способ крепления выемочных выработок». Опубл. 15.02.93. Бюл. № 6.

110. Патент РФ №2043505, Е21 Д 11/00 от 10.09.1995 г. на изобретениеI

111. Способ крепления горных выработок» / И.И.Мартыненко, Б.Б.Луганцев, В.В.Быковский, В.Н.Алексеенко. Опубл. 10.09.95. Бюл. № 25.

112. Луганцев Б.Б., Мартыненко И.И., Савин В.А. Патент РФ №2079665, Е21 Д 15/48 от 20.05.1997 г. на изобретение «Костёр для охраны выемочных выработок». Опубл. 20.05.97. Бюл.№ 14

113. Патент РФ №2083846, Е21 Д 23/03, Е21 С 41/18, Е21 Д 15/28 от 10.07.1997 г. на изобретение «Способ безлюдной выемки крутых тонких пластов» / Б.Б. Луганцев, P.M. Попов, Ю.Д. Стулов, Н.И. Парада, И.И. Мартыненко. Опубл. 10.07.97. Бюл. № 19.

114. Щ 119. Луганцев Б.Б., Алексеенко В.Н. Влияние трещиноватости пород наупрочнение кровли полиуретановыми составами // Струговая выемка. Сб. науч. тр.- Шахты: ИГД им. A.A. Скочинского, ШахтНИУИ, 1990.- С.51-53.

115. Луганцев Б.Б., Беликов В.В., Алексеенко В.Н. Выбор технологии очистных работ для новых шахт Сулинского месторождения // Струговая выемка. Сб. науч. тр.- Шахты: ИГД им. A.A. Скочинского, ШахтНИУИ, 1990.- С. 60-64.

116. Луганцев Б.Б., Алексеенко В.Н. О возможности применения струговой выемки на шахтах ПО «Шахтуголь» // Струги и комплексы. Сб. науч. тр.-Шахты: ИГД им. A.A. Скочинского, ШахтНИУИ, 1989.- С. 110-114.

117. Руппенейт К.Ф. Деформируемость массивов трещиноватых горных пород.- М.: Недра, 1975.- 223 с.

118. Правила безопасности в угольных шахтах. М.: Недра, 1996.-368с.

119. Якоби О. Практика управления горным давлением. Пер. с нем. М.: Недра, 1987.-566 с.

Информация о работе

Луганцев, Борис Борисович
доктора технических наук
Шахты, 2002
ВАК 25.00.22

Диссертация

Обеспечение устойчивости подземных горных выработок в трещиноватом породном массиве - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы