Обоснование параметров крепления подготовительных и очистных выработок на основе комплексной оценки горно-геологических условий угольных месторождений

Копылов, Андрей Борисович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Обоснование параметров крепления подготовительных и очистных выработок на основе комплексной оценки горно-геологических условий угольных месторождений
ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров крепления подготовительных и очистных выработок на основе комплексной оценки горно-геологических условий угольных месторождений"

На правах рукорпси

КОПЫЛОВ Андрей Борисович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КРЕПЛЕНИЯ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ И ОЧИСТНЫХ ВЫРАБОТОК НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКИ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальность:

25.00.22 — «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Тула - 2006

Работа выполнена на кафедре «Геотехнологий и геотехники» ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор ЗАХАРОВ Евгений Иванович Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор КУЗНЕЦОВ Юрий Николаевич, доктор технических наук, профессор ЧАПЛЫГИН Николай Николаевич, доктор технических наук, профессор СТРАДАНЧЕНКО Сергей Георгиевич

Ведущее предприятие - ОАО "Подмосковный НИУИ".

Защита диссертации состоится « 22 » ноября 2006 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.04 ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» по адресу:

300600, г. Тула, пр. Ленина д.90 (6-й учебный корпус, аудитория 302).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан «18» октября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук, доц.

О.М. Пискунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Существенное влияние на показатели добычи угля оказывает прогрессирующее вовлечение в отработку пластов со сложными горногеологическими условиями, снижающее эффективность использования современных очистных комплексов. Особую важность при этом приобретают вопросы корректной оценки условий ведения горных работ, на основании которой принимаются технико-технологические решения по обеспечению максимально возможной нагрузки на очистной забой. Значительные затруднения здесь возникают при принятии решений по отработке угольных пластов по схеме «шахта-пласт», отличающейся значительными размерами лав и выемочных столбов. Главная трудность заключается в получении максимальной адекватности исходной информации, реально отражающей не только структуру, строение, физико-механические характеристики вмещающих массивов и угольных пластов, но и конструктивные особенности крепей (комплексов). Решение этой проблемы позволит получить результаты, имеющие высокую практическую ценность в различных геотехнологических ситуациях.

Комплексы оборудования с механизированными крепями являются основным средством получения высоких объемов добычи угля в очистных забоях при подземной добыче угля. Объективная оценка горно-геологических условий угольного месторождения, выбор соответствующих рациональных параметров ведения горных работ, типа механизированной крепи, забойного конвейера и комбайна в комплексно-механизированных очистных забоях является одной из важнейших задач для повышения технико-экономических показателей и безопасности работ в очистных забоях.

Проведение, крепление и поддержание подготовительных выработок являются одними из основных составляющих технологии горных работ, обеспечивающих раскройку шахтных полей и подготовку очистного фронта. При этом важной проблемой, требующей безотлагательного решения, является обеспечение безремонтного поддержания подготовительных выработок. Относительно низкие технико-экономические показатели подготовительных работ объясняются не только ухудшением условий отработки угольных пластов, но, в большей степени, применением недостаточно обоснованных паспортов крепления горных выработок, параметры которых выбираются исходя из имеющегося опыта. Задача обоснования оптимальных конструктивных параметров крепления должна решаться на основе методов, использующих широкие возможности современных вычислительных комплексов, анализирующих все многообразие влияющих факторов и максимально приближающих расчетные схемы к реальным условиям работы крепей.

Все это указывает на то, что исследования, проводимые в рамках выявленных проблем и направленные на создание современных автоматизированных методов обоснования параметров крепления подготовительных и очистных выработок, остаются актуальными и в настоящее время.

Диссертационная работа выполнена на основе обобщения результатов исследований, выполненных при поддержке ФЦП «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы» (Государственный контракт № Б0118/663), грантами Минобразования РФ (№ Т02-04.4-2107, № 36601 Гр, 036-01 Гр) и грантами РФФИ (№ 01-05-96011, № 04-05-96701), а также в рамках госбюджетной темы (№ 3301).

Цель работы заключается в установлении закономерностей взаимодействия крепей очистных и подготовительных выработок с вмещающими породами на основе комплексной оценки горно-геологических условий угольных месторождений, обеспечивающих обоснованный выбор параметров крепления горных выработок, направленный на повышение эффективности отработки пологих и наклонных угольных пластов.

Идея работы заключается в том, что комплексная оценка горногеологических условий угольных месторождений обеспечивает повышение эффективности отработки пологих и наклонных пластов на основании результатов имитационного моделирования пространственного положения механизированных комплексов в очистных забоях и равновесных состояний системы «крепь-массив» в подготовительных выработках.

Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе используется комплекс методов: анализ существующих методов оценки горногеологических условий залегания угольных пластов; гармонический анализ на основе тригонометрических многочленов; обобщение результатов экспериментальных исследований проявлений горного давления вокруг подготовительных выработок; численное моделирование взаимодействия элементов системы «крепь-массив»; обобщение результатов моделирования. При обработке результатов исследований применялись методы математической статистики и корреляционного анализа.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

имитационная модель функционирования комплексно-механизированного забоя, основанная на учете геометрических и технологических характеристик угольных пластов, вмещающих пород и технико-технологических характеристик механизированных комплексов, позволяет осуществлять рациональный выбор оборудования, управлять процессами выемки при его эксплуатации, а также оценивать комплексно-механизированный забой на предмет эффективной эксплуатации в реальных условиях;

пространственное прогнозирование условий отработки шахтного поля основывается на уравнениях двойных тригонометрических рядов, позволяющих комплексно оценивать и взаимно адаптировать геометрические и технологические характеристики вмещающих пород, угольных пластов и технико-технологические характеристики механизированных комплексов;

комплексная оценка геометрических и технологических характеристик вмещающих пород, угольных пластов и технико-технологических характеристик механизированных комплексов, отличающаяся учетом взаимной адаптации характеристик системы «пласт-комплекс», положений комплекса в

пласте не только в локальных зонах (выемочных столбах), но и по всему шахтному полю, позволяет корректно осуществлять выбор оборудование.механизированного комплекса очистных забоев на основе интегральных показателей управляемости кровлей и проектировать нагрузку на очистной забой с учетом минимальных объемов присекаемых пород в пределах выемочных участков;

анализ положения секций комплекса и конвейера, углов их взаимных поворотов и кривизны изгиба по длине лавы в двух плоскостях позволяет оперативно оценивать пространственное положение механизированного комплекса в очистном забое и в процессе ведения очистной выемки корректировать движение секций крепи в соответствии с проектной траекторией;

установлена взаимосвязь параметров смещений пород и нагрузок на крепь в подготовительных выработках от совокупности влияющих факторов при различных способах охраны и поддержания выработок и получены уравнения равновесных состояний массива, ослабленного выработками, которые выражаются показательными функциями экспоненциального вида, а входящие в них коэффициенты являются функциями влияющих факторов при различных способах охраны и поддержания выработок;

метод автоматизированного расчета смещений пород и нагрузок на крепь подготовительных выработок, базирующийся на уравнениях начальных параметров, отличающийся введением в качестве исходных данных значений горно-геологических и горнотехнических факторов для широкого диапазона условий и учитывающий взаимовлияющие деформации в системе «крепь — массив», позволяет производить полноценное моделирование совместной работы крепи и массива горных пород;

учет влияния изменяющихся по длине выемочного столба геотехнических факторов, таких как: характеристика забоя, площадь поперечного сечения выработки, крепость пород, коэффициент подрывки, вид транспорта и др., каждый из которых рассматривается как случайная величина со своим законом распределения, повышает эффективность прогнозирования темпов ведения подготовительных работ.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: корректностью постановки задач и формирования расчетных схем; представительным объемом экспериментальных данных о проявлениях горного давления, полученных в результате многолетних натурных исследований ТулГУ и из различных нормативно-справочных источников; удовлетворительным совпадением результатов моделирования по предлагаемым методикам с натурными данными, а также с данными, полученными при решении частных контрольных задач как аналитическими, так и экспериментально-аналитическими методами (расхождения не превышают 10-15 %).

чества влияющих факторов, позволяющих на их основе экспериментально-аналитического метода прогнозировать проявления горного давления в подготовительных выработках угольных шахт.

Практическое значение работы состоит:

в создании методических основ автоматизированного прогнозирования условий ведения и обосновании параметров крепления подготовительных и очистных выработок;

в использовании методической базы имитационного моделирования взаимодействия крепей подготовительных выработок с боковыми породами и оперативной оценки пространственного положения механизированных комплексов на различных участках отработки шахтных полей;

в разработке алгоритмов, блок-схем и пакетов прикладных программ, обеспечивающие автоматизированное прогнозирование параметров крепления подготовительных и очистных выработок, позволяющие повысить эффективность отработки участков шахтных полей в широком диапазоне горно-геологических условий.

Реализация результатов работы. Основные результаты исследований использованы в «Методических рекомендациях по выбору параметров крепления подготовительных выработок», принятых и утвержденных ОАО «Подмосковный НИУИ», а также внедрены в общую структуру Учебно-научного комплекса кафедры геотехнологий и геотехники для реализации учебных и научных задач при многоуровневой подготовке специалистов и кадров высшей квалификации.

го производства» (г. Тула, 2002 г.), на 2-й Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития горнодобывающей промышленности Подмосковного бассейна» (г. Тула, 2002 г.), на Международных конференциях по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2003,2005 гг.), на 1-й Международной и 55-й юбилейной конференции «Перспективы развития Восточного Донбасса» (г.Шахты, 2006 г.), на VIII-й Международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России: новые подходы к развитию угольной промышленности» (г. Кемерово, 2006 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 51 работа, в том числе монография и два учебных пособия.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, б глав, заключения, изложенных на 263 страницах машинописного текста, включая 87 рисунков, 18 таблиц и перечень литературы из 149 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Для принятия рациональных технико-технологических решений по ведению горных работ необходимо иметь объективное представление о физико-механических, технологических и горно-геометрических характеристиках массива горных пород. Особенно важным при этом является учет их изменчивости в пределах шахтного поля или его участка. Это предопределяет необходимость использования теоретических методов, направленных на автоматизацию задач комплексной оценки горно-геологических условий залегания угольных пластов, прогнозирования условий ведения и проектирования подготовительных и очистных работ.

Исследованиям, направленным на повышение эффективности добычи угля подземным способом, посвящены работы ученых многих научно-исследовательских организаций и учебных заведений: ННЦ ГП-ИГД им. А. А. Скочинского, ИПКОН РАН, ВНИМИ, ИГД СО РАН, Института угля СО РАН, ВНИИ-гидроугля, ПНИУИ, ПечорНИУИ, Центрогипрошахта, Куз-бассгипрошахта, Сибгипрошахта, КузНИИШахтостроя, МГГУ, С-ПбГГИ (ТУ), КузГТУ, УГГА, ЮРГТУ (НПИ) ДонГТУ, Донбасского ГТУ, ДнепрГГА, ТулГУ и других организаций. Значительный вклад в развитие методов прогнозирования условий ведения и проектирования очистных и подготовительных работ внесли: Б.З. Амусин, К.А. Ардашев, И.В. Баклашов, Ф.А. Белаен-ко, A.A. Борисов, Н.С. Булычев, A.C. Бурчаков, В.Т. Глушко, A.B. Докукин, Е.И. Захаров, В.П. Зубов, В.Н. Каретников, Б.А. Картозия, Г.А. Катков, М.В. Корнилков, Ю.А. Коровкин, И.С. Крашкин, Ю.Н. Кузнецов, М.В. Кур-леня, Г.Г. Литвинский, J1.H. Насонов, В.Л. Попов, В.А. Потапенко, А.Г. Про-тосеня, В.Е. Савченков, К.Ф. Сапицкий, В.И. Сарычев, В.Д. Слесарев, К.Н. Трубецкой, Г.Л. Фисенко, H.H. Фотиева, H.H. Чаплыгин, И.Л. Черняк, Л.Д. Шевяков, В.А. Шестаков, А.П. Широков и многие другие. Однако, не-

смотря на значительные успехи, достигнутые в этой области исследований, использование большинства предположений о механизме геомеханических процессов вокруг выработок, взаимодействии пород с горными крепями и проектировании очистных и подготовительных работ наталкивается на серьезные трудности, вызванные либо упрощенностью расчетных схем, либо недостаточной изученностью поведения вмещающих массивов, либо неполноценностью расчетных аппаратов, применяемых для прогнозирования условий ведения горных работ и оценки возникающих геотехнологических ситуаций. Вместе с тем, сложность принятия адекватных технико-технологических решений усугубляется недостаточным учетом изменчивости геометрических и технологических характеристик угольного пласта и вмещающих пород в пределах принимаемых к отработке шахтных полей, так как вся объективная горно-гсологичсская информация сосредотачивается только вокруг разведочных скважин.

Интенсивные исследования, направленные на повышение информативности результатов геологической разведки, основывались, как правило, на принципах теории вероятностей или линейной интерполяции, в результате применения которых возникали серьезные искажения топофункций той или i:::i\": ¡'со.чопуи'скеИ перемешюП, отражающей свойства угольных пластов. !l.;;ocrai'KU д..;.¡.их *;;осоОов были и наибольшей с iciicnu устранены в работах, выполненных под руководством Огаркова B.C. и Серегина Ю.И. в Тульском политехническом институте. В частности, для описания количественной изменчивости геометрических и качественных характеристик угольного пласта в условиях ограниченной геологоразведочной информации ими были использованы сплайновые функции, метод пространственной интерполяции на основе динамической равномерной сети и метод проецирования на трен-довые поверхности. В результате шахтное поле разбивалось на блоки и зоны топофункций с преобладающими значениями признаков анализируемого фактора, соответствующих центрам их вероятностного распределения, что позволяло решить лишь ряд частных задач для некоторых шахт Донецкого и Подмосковного бассейнов.

Вопросами создания расчетных моделей характеристик угольных пластов занимались также Попов В.Л., Степанов В.М., Казак Ю.Н. и др. Недостатком этих исследований являлось то, что они были адаптированы к локальным участкам угольного пласта при рассмотрении положения только одной секции крепи, т.е. задачи сводились к плоской постановке. Между тем, вследствие нерегулярной и разнонаправленной волнистости залегания пласта, практически все секции комплекса оказываются работающими в различных условиях. Отсюда существующие модели были сориентированы только на «среднестатистические» характеристики пласта.

Общими недостатками отмеченных исследований являлся также неполноценный учет технологических и физико-механических характеристик вмещающих пород, влияющих на выбор механизированного комплекса для конкретных горно-геологических условий, а даваемая прогнозная оценка динамики их изменения не позволяла в полной мере адаптировать технико-

технологические характеристики механизированных комплексов к геометрическим характеристикам пласта, что в настоящее время, в связи с увеличением длины очистных забоев и размеров выемочных столбов, является особенно важным.

Стабильность показателей работы очистного забоя в немалой степени зависит от сохранения проектного пространственного положения всего механизированного комплекса. В связи с этим возникает задача оперативного контроля состояния секций, что требует создания метода автоматизированной обработки информации, полученной по результатам наблюдений в очистных забоях, в результате чего может осуществляться корректировка траекторий движения секций комплекса.

Необходимость комплексной оценки характеристик углепородных массивов предопределяется также и требованиями корректного обоснования параметров крепления и технологии проведения подготовительных выработок в широком спектре геотехнологических и геомеханических условий. Многообразие факторов, характеризующих эти условия, требует применения универсальных методов расчета, рассматривающих совместную работу крепи и массива. Создание таких моделей наталкивается на значительные методологические и математические трудности, поэтому получили распространение приближенные методы, построенные на использовании экспериментальных данных и аналитических решений, полученных с использованием механических моделей массива.

Так, например, Каретниковым В.Н., Клейменовым В.Б. и Мироновой М.В. все многообразие уравнений равновесных состояний однородного изотропного массива, ослабленного круглой выработкой, было сведено к универсальному виду:

Р(и)=А1ил>+Л3, (1)

где: Р{и) - интенсивность давления на контуре выработки; А\, Аг, А3 - коэффициенты, величины которых в каждом конкретном случае определяются из решений одномерных задач с использованием упругой, упруго-пластической, хрупкой и других моделей массива. Однако, выражение (1) получено для одиночных выработок, находящихся вне зоны влияния очистных работ, и поэтому оно неприменимо для подготовительных выработок, оконтуривающих выемочные столбы.

В настоящее время можно считать установленным и научно обоснованным положение о том, что технико-экономические показатели проведения и поддержания подготовительных выработок зависят от случайных факторов, в результате чего нарушается ритмичность ведения горно-подготовительных работ. В связи с этим необходимы новые подходы к разработке расчетных моделей, позволяющих получить статистический ряд значений месячной проходки штреков, как непрерывной случайной величины для заданных условий проведения, что позволит выбирать рациональные параметры технологии проведения выработок на основе сравнения технико-экономических показателей.

Исходя из вышесказанного, а также в соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи исследований:

разработка расчетной модели комплексной оценки геометрических и технологических характеристик углепородных массивов при изменчивости горно-геологических условий в пределах планируемого к отработке участка угольного месторождения;

создание методических основ взаимного адаптирования характеристик механизированных комплексов к характеристикам вмещающих пород и угольных пластов для обеспечения корректного выбора крепи и проектирования нагрузки на очистной забой с минимальным объемом присекаемых пород;

разработка метода автоматизированной обработки результатов оперативного контроля пространственного положения секций механизированного комплекса в выемочном столбе;

получение зависимостей, описывающих равновесные состояния массива для основных типов подготовительных горных выработок угольных шахт на основе обобщения экспериментальных данных шахтных исследований и усовершенствование на этой основе расчетной модели геомеханической системы «крепь-массив»;

разработка методики автоматизированного расчета смещений пород и нагрузок на крепь подготовительных выработок и реализация ее в виде пакета прикладных программ, позволяющих проводить многовариантные расчеты по выявлению условий взаимодействия крепи с массивом пород и обоснованию параметров крепления выработок;

разработка метода прогнозирования темпов ведения подготовительных работ и технико-экономической оценки проведения и поддержания подготовительных выработок.

Комплексную оценку геометрических и технологических характеристик угольного пласта и вмещающих пород целесообразно разделить на три уровня: предварительное, участковое прогнозирование и оперативный контроль. Решение возникающих при этом задач возможно только при использовании пространственной расчетной схемы, отражающей поведение топо-функций геометрических и технологических характеристик углепородных массивов в виде криволинейной поверхности в декартовой системе координат. Свяжем с одним из участков шахтного поля подвижную систему координат (рис. 1). Начало выбранной системы координат о-, совпадает с началом /-го участка; ось о/с-, направлена вертикально вверх; оси оу-, и о,ц ограничивают данный участок по длине и ширине. Произвольный неуправляемый параметр, представляющий ту или иную характеристику, может иметь три составляющие, значения которых в произвольной точке участка с координатами г„ у„ 0 обозначены как цх> (г,-; у,), пУ, (г ,■; >';), (21; ).

Описание такой поверхности с наибольшей степенью приближения к натурным данным может быть получено на основе приближенного гармонического анализа с использованием в качестве интерполирующей функции двойного тригонометрического ряда Фурье. Тогда количественное значение в

точке с координатами Z; и J',- любого из рассматриваемых неуправляемых факторов на ¿-м участке можно найти из тригонометрического полинома вида:

, Ч типу tb7z , типу . tïïiz

<К2'У)= Ъ X ^KnCOS—^COS— +4,„cos--^sin-—+

/п=0п=0 L 1 L I

(2)

. типу mz , . типу . жи, +cm,„ sin-^-cos-y-+dmn sin-^-sin—],

где zny- переменные координаты точек в системе координат д^г; Lui- длина и ширина принятого к анализу участка шахтного поля (месторождения); ат,„; ст „; dm„ - коэффициенты Фурье; m = 0, 1, 2, ... s; п = 0, 1, 2, ... t -порядковые номера членов разложения; X = 0,25 при m = п = 0, Л = 0,5 при m > 0 и п = 0 или при т = 0ии>0,Д = 1 при m > 0 и п > 0.

q{zPy.)

2t 2s

Рисунок 1. Расчетная схема для определения пространственной изменчивости топофункций влияющих факторов

При значениях исследуемых параметров, определенных путем предварительной обработки геологоразведочной информации, коэффициенты Фурье вычисляются по приближенным формулам Бесселя, преобразованным для двойного ряда путем замены интегралов в формулах Эйлера суммированием по правилу трапеций:

1 ^ 2М яту„ • япг^

»=0 У=0 Ь «

Ьт,п=-21 ¿Х^'П—г^-соз—

л ту . 7ГП2 -ЯГ „„=0 Ь »

1 2м . ягя%. / . лгя„]

1Х,5'П-г ^' ^ г '

■« и=0 7=0 Ь '

где: т = 0,1,2,...,2$; я = 0,1,...,2/; 2« - число равных интервалов, на которые разбит по длине расчетный участок шахтного поля; 2/ - число равных интервалов, на которые разбит по ширине расчетный участок шахтного поля; г^ -значение задаваемого параметра в точке с координатами у^ = \vLli2s), (и> = 0,

1, 2, ..., 2$); г^=у7/(2/), (/ = 0, 1, 2,..., И).

Важно отметить, что для наиболее точной аппроксимации исследуемой функции необходимо удержание в сумме выражения (2) всех действительных членов с коэффициентами, имеющими индексы от 0 до х и t. В этом случае полученная криволинейная поверхность любой сложности пройдет через ординаты эмпирических значений факторов в точках с заданными изначально координатами.

При решении задач, основанных на плоской расчетной схеме, достаточно рассмотреть изменение влияющих факторов по координате г, считая их независимыми от координаты у, или, наоборот, изменение по координате при независимости от координаты г. В частности, в работе проведена аппроксимация тригонометрическими полиномами абсолютных отметок почвы угольного пласта и его мощностей на участке длиной 300 м 26-го восточного штрека шахты «Прогресс» в Подмосковном бассейне. В качестве примера на рис. 2 показаны фактическое и расчетное изменение мощности пласта.

В результате корреляционного анализа было установлено, что среднее отклонение расчетной величины мощности от фактической т = 0,0945 м при относительной средней погрешности 9,04 %. Коэффициент корреляции = 0,9154, а величина достоверности аппроксимации Я2= 0,8379. Аналогичные показатели для оценки аппроксимации абсолютных отметок составили: II = 0,2882 при погрешности менее 3 %; = 0,9586; Я2 = 0,9189. Все это говорит о высокой степени сходимости фактических и расчетных показателей.

—♦— РиН&м ау 1 } й 11 пой! ёапоа —*— Оа£оё-Ншеау 1 I й \! той I ёапбй

Рисунок2. Изменение мощности угольного пласта подлине штрека

Таким образом, применение тригонометрических многочленов является универсальным и позволяет описать любой из влияющих факторов. Для этого необходимо в коэффициенты Фурье подставить вместо г,^- конкретные

значения, количественно характеризующие пространственное распределение этого фактора в пределах анализируемого участка шахтного поля или месторождения. Факторами, характеризующими предварительный прогноз, являются качественные характеристики и мощность угольного пласта, а также объемная масса угля, по которым строятся карты изолиний, в результате чего определяются границы шахтного поля, производительность пласта и подсчи-тываются запасы. Одной из важнейших задач предварительного прогноза является определение гипсометрии пласта. В качестве примера результатов обработки исходной геологической информации по скважинам методами тригонометрической интерполяции на рис. 3 приведены карты гипсометрии почвы угольного пласта в виде изолиний и пространственном изображении, а также топофункци изогипс углов наклона почвы угольного пласта участка Симаковского месторождения Подмосковного бассейна по оси ОЪ. Штриховкой обозначены опасные зоны, т.е. участки площади выемочного поля, где текущие значения углов наклона и кривизны пласта превышают предельные значения, и прохождение комплекса по пласту будет происходить с при-сечкой или подрывкой вмещающих пород.

Рисунок 3. Карты гипсометрии почвы угольного пласта: а) в изолиниях и пространственном изображении б) изогипс углов наклона и кривизны почвы пласта по оси ОЪ

Следующим этапом предварительного прогнозирования является комплексная оценка характеристик кровли и почвы угольного пласта. Анализ литературных источников и нормативно-справочной документации показал, что в наибольшей степени требованиям выбора механизированных комплексов отвечает классификация кровель по степени трудности управления, разработанная в ННЦ ГП-ИГД им. A.A. Скочинского. В связи с этим для определения типа кровли на основе предлагаемого метода производится анализ изменчивости с построением карт изолиний таких количественных переменных, как мощность, объемный вес, пределы прочности на растяжение и сжатие, интенсивность слоистости и трещиноватости пород основной и непосредственной кровли. При использовании дополнительных уравнений определяется шаг обрушения кровли (отнесение кровли к классу по обрушаемо-сти), а также шаг, стадийность и интенсивность вторичных осадок основной кровли. В результате обработки данной информации с помощью экспресс-метода и дополнительных интегральных критериев, разработанных в ИГД, осуществляется построение на карте шахтного поля топофункций изменчивости кровли по управляемости, в соответствии с которыми выявляются зоны необходимого рабочего сопротивления механизированной крепи. Исходя из карты изомощностей угольного пласта и оценки изменчивости характеристики почвы на вдавливание, осуществляется выбор механизированных комплексов.

Практика ведения очистных работ в комплексно-механизированных забоях показывает, что выбор механизированного комплекса только на основании его силовых характеристик и вынимаемой мощности является не вполне корректным. Это обусловлено недостаточным учетом адекватности технических возможностей комплекса таким геометрическим характеристикам пласта, как: угол наклона почвы пласта, обусловленный как его падением, так и сложностью гипсометрии; кривизна почвы пласта; угол скручивания почвы пласта. При этом такая оценка может быть произведена как на этапе предварительного, так и на этапе участкового прогноза.

Для исследования этих характеристик воспользуемся выражением (2), вводя в него вместо функции общего вида f/(ztv) функцию абсолютных отметок поверхности почвы пласта U(zy). Тогда математические выражения углов наклона почвы пласта в направлении движения очистного комплекса (ось .у) и в направлении, перпендикулярном движению (ось г), определяем как частные производные от правой части равенства (2) соответственно по координатам г и у:

„I \ я . Г . лту Ttnz , . яту . nnz ЯДг.^Ь- Лп^ЬЯт^т—^соз—--6w„sin—^sin—+

i<m=(>!=l> L. I Ь l ^^

nmy nnz , яту . nnz. cos-j-cos-j-+dmn cos-^sin—],

о ( \ " i г 71 ту . Tinz , лту л п.

XX eos— sin— +bmn eos—eos——

' m=0t=0 l l l l

. лту . xnz , . лту nnz.

Выражения для определения кривизны поверхности почвы пласта определяем как частные производные второго порядка от правой части равенства (5) по координатам г и у:

..i \ 7? , 2г лту лш , лту. лпг

W)=-:f XX ^cos-—4,„cos-^sin-—

L m=Oi=0 JL I L l

С6)

. л'/иу . ятгг. sin—-sin—Ч, L I J

/ \ л , ,г лоту я-лзг , я ту. лп:

XX coi^— cos-—¿ц„ cos - sin — -

* m=Cn=Q LI LI ^jy

. лту miz , . лту . лпг, -cm„sin—¿eos--cL .sin-sin—-1.

L I L I

Выражение для определения угла скручивания поверхности почвы пласта, а значит, и ожидаемого скручивания комплекса относительно его продольной оси z, получим путем дифференцирования уравнения (5) по

ni \ л2 . г . лту . лш . . лту лги WJ = 77 ХХ sin—-sin—--bmnsm—-cos——

Ll ш=Оя=0 LI LI

(o)

лту . nnz , лту nnz. -e„ cos-- sin-+dm„ cos-- cos-J.

L I L I

По формуле (8) определяется относительный угол скручивания, характеризующий взаимный поворот касательных к криволинейной поверхности пласта, перпендикулярных продольной оси лавы (оси г).

Техническими характеристиками комплекса, ограничивающими форму его изгиба и скручивание, являются максимальные, конструктивно заложенные углы взаимного поворота секций конвейера и крепи в плоскостях xoz и хоу (см. рис. 1). Максимальный изгиб става конвейера регламентируется также конструктивными характеристиками очистного комбайна, в частности расстоянием между опорными лыжами и клиренсом, на основании которых определяется предельный радиус кривизны. Пошаговый анализ сопоставления характеристик пласта с учетом его скручивания и технических характеристик комплекса дает возможность определить рациональное положение механизированного комплекса в лаве при подвигании очистного забоя.

Для проектирования рациональных траекторий движения секций комплекса и его положения в очистном забое с минимальным объемом присе-каемых пород и оставляемого угля был разработан метод, основанный на пошаговом построении изгибных линий механизированного комплекса по его основанию, в максимальной степени приближающихся к топофункциям поверхности почвы. Определение параметров кривой рационального поло-

жения комплекса в параллельном лаве профиле пласта производится путем сравнительного анализа углов наклона почвы с предельным эксплуатационным углом сопряжения секций конвейера (рис. 4).

Рисунок 4. Расчетная схема адаптации изгибной линии комплекса к почве пласта

На рис. 4 приняты следующие обозначения: a¡ — угол наклона поверхности почвы пласта в начальном сечении каждой /-Й секции конвейера; y¡ — угол наклона /-й секции конвейера (определяется по разнице углов наклона -y¡ = a¡+J - a¡); p¡ — угол сопряжения /-Й и í+1-й секций конвейера. Тогда формирование проектной изгибной кривой комплекса должно отвечать следующему условию:

\Гм-Г,\=Р1 (9)

где: [ ]- предельный угол сопряжения секций конвейера. При невыполнении данного условия корректируется положение одной или нескольких предыдущих секций конвейера, после чего процедуры наращивания конвейерного става продолжаются. В результате в каждом сечении между секциями конвейера также определяются абсолютные отметки его основания, которые и будут проектными геометрическими характеристиками формы изгиба комплекса.

Однако по данным отметкам дать корректную оценку объемов присе-камых пород и оставляемого угля, весьма затруднительно. В связи с этим сложную форму изгиба комплекса вдоль лавы было предложено аппроксимировать также тригонометрическим полиномом, но с разложением функций перемещений только по одной оси координат — оси г. В результате имеем:

\ л, х1!, якг , . Ttkz. nnz

X{z) = 0,5х0 + YSflkcos —Г+К sin—)+0,5a„ eos—. (Ю) *=i ' ' '

Коэффициенты разложения Фурье вычисляются по формулам Бесселя: l2^.1 ti kj 12-1 „kj

n J=, n nM n

В уравнениях (10) и (11) приняты следующие обозначения:у = 0,1, 2,..., 2и-1 - порядковые номера поперечных сечений, которыми комплекс разбит по длине на равные участки (соответствуют порядковым номерам сечений между секциями конвейера); 2и - число участков (секций конвейера) по всей длине комплекса; к = 0,1,2,...,л - порядковые номера членов разложения; Xj -абсолютные отметки основания става конвейера в у'-х сечениях. После нахождения коэффициентов получаем функцию, аппроксимирующую проектную траекторию положения (форму изгиба) механизированного комплекса в угольном пласте. Такие траектории могут быть получены в любом сечении, параллельном линии очистного забоя.

Важно отметить, что данные траектории необходимо трактовать как проектные топофункции абсолютных отметок почвы очистного забоя -и(г)^„ч.3=Х(г)- Для определения топофункций отметок кровли очистного забоя и(г)кр.оч.3=Х(1) необходимо перед аппроксимацией из аргументов Xj вычесть значения вынимаемой мощности пласта, которая регламентируется либо характеристиками комплекса, либо условием управляемости кровлей.

В результате итерационное вычисление объемов присекаемых пород и оставляемого угля в пределах проектируемого к отработке участка шахтного пласта (или выемочного столба) сводится к интегрированию по длине лавы абсолютных отклонений топофункций отметок почвы и кровли очистного забоя от почвы и кровли угольного пласта соответственно. При этом суммирование по длине лавы всех отрицательных отклонений дает итоговую площадь оставляемой угольной пачки (абсолютные отметки почвы забоя больше отметок пласта, принимаемых за базовые), и, наоборот, положительные отклонения характеризуют площадь присекаемых пород.

Таким образом, разработанная расчетная модель позволила расширить реализацию задач пространственного прогнозирования горно-геометрических и технологических характеристик угольных пластов, в соответствии с которыми корректно определяются границы и запасы шахтных полей, выбирается очистное оборудование и прогнозируется нагрузка на очистной забой в широком диапазоне горно-геологических условий.

Для прогнозирования условий ведения и проектирования очистных работ было разработано методическое обеспечение, в основу которого был положен алгоритм, изображенный на рис. 5. Методическое обеспечение сопровождается автоматизированным прогнозированием технологических характеристик углепородных массивов, к которым адаптируются технико-технологические характеристики механизированных комплексов. Кроме представленного алгоритма основными составляющими методического обеспечения являются руководства по подготовке и вводу исходных данных и по оперативному управлению алгоритмом, а также пакет прикладных программ, обеспечивающий проектирование рациональных технологических параметров.

Как уже отмечалось выше, только на основании предварительного или участкового прогнозирования невозможно корректное исполнение технико-технологических плановых заданий по нагрузке на очистной забой и качеству полезного ископаемого. Необходима текущая оценка состояния очистного

Рисунок 5. Алгоритм имитационного моделирования ведения и проектирования очистных работ

комплекса в угольном пласте, которая может быть получена на основе дополнительной информации по результатам обследований реальной пространственной конфигурации отдельных его элементов — става конвейера, комплекса секций и очистного комбайна.

Такая оценка может быть произведена по эмпирическим показателям углов наклона рештаков конвейерного става в очистном забое (такое решение было предложено В.М. Степановым и Ю.Н. Казаком). Исходя из этого был разработан алгоритм, на основании которого дискретные показатели реальных углов наклона рештаков преобразуются в реальные углы наклона почвы очистного забоя (обратный подход при использовании расчетной схемы рис. 4 и левой части неравенства (9)), абсциссы которых соответствуют абсциссам у-х сечений става конвейера. Данные характеристики аппроксимируются тригонометрическим полиномом, полученным путем дифференцирования формулы (10) по оси z в плоскости xoz-.

ni \ г лкг т • Я'иг

Ф)=Т 2Л' К cos——+Ьк sin—] -нг • 0,5а„ cos—. (12)

I к=1 ' I I

В данном выражении коэффициенты Фурье определяются на основании реальных характеристик углов наклона почвы очистного забоя.

Кривизна изгиба почвы очистного забоя аппроксимируется полиномом, полученным при дифференцировании выражения (12):

ВД = тг2> - К cos—- + Ък sin—] W • 0,5а„ cos—. (13) I кн It I

При интегрировании уравнения (12) получаются оперативные характеристики отметок почвы очистного забоя, которые сравниваются с проектными отметками почвы (уравнение (10)), в результате чего происходит корректировка положений секций, обеспечивающая выход на заданную траекторию. Аппроксимирующая функция, определяемая из выражения (13), служит при этом дополнительным ориентиром, указывающим наиболее уязвимые участки по длине очистного забоя, на которых выявляется несоответствие работы очистного комбайна реальным условиям.

Оперативный контроль необходим также для оценки состояния комплекса в плоскости yoz, который позволяет судить об его искривлении, влияющем на надежность работы комплекса и стабильность показателей добычи. В этом случае при привязке к секции сопряжения на одном из выемочных штреков может быть по данным, например геодезической съемки, получено реальное положение секций комплекса по длине лавы, характеризующее искривление линии очистного забоя. Такие показатели также могут быть аппроксимированы тригонометрическими полиномами вида:

У(г) = ОДу0+]Г(а* cos —+Ьк sin—)+0,5a„ eos—, (14) *=i ¡I I

в котором коэффициенты разложения Фурье определяются по приближенным формулам Бесселя:

Оценка соответствия технических характеристик комплекса при этом может быть произведена по реальным углам взаимного поворота секций конвейера и крепи в плоскости пласта у(г), а также по кривизне их изгиба Ку{г\ которые получаются при поэтапном дифференцировании уравнения (14):

Предложенный вариант оперативного контроля положения механизированных комплексов, а также метод обработки получаемой информации позволяют производить по данным оперативной оценки адекватное принятие технико-технологических решений по управлению состоянием очистного комплекса и стабилизации нагрузки на очистной забой в соответствии с проектными показателями.

Анализ нормативно-справочной документации и экспериментальных исследований показал, что основными характеристиками, влияющими на обоснование параметров крепления, поддержания и охраны подготовительных выработок угольных шахт, являются пределы прочности угольного пласта и вмещающих пород, а также глубина заложения выработок, мощность угольного пласта и его угол падения, которые составили основу при проектировании паспортов крепления выработок для различных угольных бассейнов страны. При этом в качестве управляемого фактора принимается время эксплуатации выработок. Естественно, комплексная оценка дает возможность прогнозирования данных показателей в виде топофункций по каждому из факторов на основе аппроксимации тригонометрическими полиномами.

По методике, разработанной институтами Центргипрошахт и ВНИМИ для прогноза устойчивости горизонтальных и наклонных одиночных выработок угольных шахт, в качестве критерия устойчивости принимается величина ожидаемых смещений на контуре сечения незакрепленной выработки за весь срок ее службы. Величина расчетного максимального смещения определяется с учетом следующих горно-геологических и горнотехнических факторов: направления проходки относительно наслоения пород, размера выработки, влияния других выработок, срока службы выработки и способа ее охраны, приведенного расчетного сопротивления на сжатие окружающих пород и глубины заложения выработки. Два последних фактора, получаемые по результатам комплексной оценки, графически определяют типовое смещение пород, которое с учетом поправочных коэффициентов от влияния других факторов преобразуется в расчетное. Все параметры для построения графиков и нахождения коэффициентов были получены ранее экспериментальным путем для шахт Кузнецкого, Донецкого, Печорского и Подмосковного бассейнов.

„ I \ г • . . . 2 г\ с * яг,

'[а* бш—-]+« -0,5а„ со&—

I к=1 ' ' '

ПП2

(17)

При анализе графических результатов экспериментальных исследований изменения нагрузки на крепь подготовительных выработок от смещений пород путем корреляционного анализа установлено, что для подготовительных выработок наиболее приемлемой является экспоненциально-показательная функция следующего вида:

/»(«)= ехр(^2 - г/,,), (18)

где: II, 1 — конвергенция пород до установки крепи; Аь Л2 - коэффициенты аппроксимации, величина которых в каждом конкретном случае зависит от параметров, характеризующих прочностные свойства пород, глубину заложения выработки, угол залегания пласта, мощность пласта и др.

Выбор данной функции был подтвержден результатами следующих исследований: 1) сопоставительный анализ показал, что аппроксимация данных графиков может производиться степенной, логарифмической, полиномиальной второй степени и экспоненциально-показательной функциями; 2) среднее корреляционное отношение для данных функций составило: для степенной 0,68; для логарифмической 0,92; для полиномиальной второй степени 0,98; для экспоненциально-показательной 0,97; 3) окончательный выбор обусловлен результатами последующего корреляционного анализа графиков изменения коэффициентов А\ и Лг от общих (типовых) смещений пород £/„й1Ч, который показал максимальное корреляционное отношение, равное 0,99, при описании зависимостей следующими степенными функциями:

Ах =124,56-А2 = 1,7867• и^™. (19)

В результате обобщенное уравнение для определения нормативной нагрузки на крепь может быть представлено в следующем виде:

Р(и) = 124,56-иЦ\Ъ1 ехр(-1,7867-Щ*;™1 •£/„). (20)

Проведенные нами исследования показали, что для любой геотехнологической ситуации, характеризуемой набором неуправляемых и управляемых факторов, определение смещений V,,¡¡щ и и,\ в подготовительных выработках может производиться по выражениям, полученным в результате аппроксимации типовых функций на основе имеющихся шахтных исследований. При этом необходимо различать выработки в зоне влияния очистного забоя и вне зоны влияния очистных работ.

Общие смещения и„ещ и смещения и,\, происходящие до установки крепи, определяются для каждого типа выработок по своим графикам. Такой процесс является весьма трудоемким и не исключает накопления ошибок. Для устранения этих недостатков были получены уравнения регрессии, выражающие с высокой степенью достоверности зависимости смещений от ряда влияющих горно-геологических факторов и позволяющие прогнозировать смещения в любой геотехнологической ситуации. В результате была разработана обобщенная блок-схема определения смещений в подготовительных выработках угольных шахт, которая представлена на рис. 6.

Рисунок 6. Блок-схема определения смещений пород в подготовительных выработках

Величину смещения 1}„с,щ в горизонтальных и наклонных протяженных выработках на их сопряжениях и в камерах, расположенных вне зоны влияния очистных работ, следует определять по формуле:

</«*, = (21) где: к - коэффициент влияния угла залегания пород и направления проходки выработки относительно простирания пород; к - коэффициент направления смещения пород при определении смещений со стороны кровли или почвы (в вертикальном направлении); к„ — коэффициент влияния размера выработки; кь — коэффициент воздействия других выработок; к, - коэффициент влияния

времени на смещения пород (для выработок, срок службы I которых более 15 лет); ит - смещение пород, принятое за типовое в зависимости от расчетного сопротивления пород сжатию Ис и расчетной глубины расположения выработки Нр. Все выше перечисленные коэффициенты, а также типовые смещения, полученные на основе анализа экспериментальных исследований, после обработки представлены в виде графиков в нормативных документах. Путем корреляционного анализа были получены различные аппроксимирующие функции с коэффициентами регрессии в пределах от 0,95 до 0,99.

Так, например, для выработок, пройденных вкрест простирания, формула (21) после подстановки в нее всех аппроксимирующих функций примет вид:

и =1,49-ахр(-0,0331ог)-(-0,0007-а2 + 0,059а-0,379)4, х

к, -9,4008

и,

( И V0'7694 0.1173.ini "0-0,1856

ИМ [к)

х (о,024 • Лс2 - 3,46 ■ + 122,78)х х ехр(0,00002^ - 0,002ЛС + 0,006)Я

(22)

•р'

где: Ь\+Ь2 — суммарная ширина взаимовлияющих выработок в проходке (вчерне), м; £ — расстояние между выработками, м; А/. — коэффициент, определяемый по таблице Указаний ... ВНИМИ; / — срок службы выработки, лет.

Аналогичные выражения для определения величины общих смещений получены для всех основных типов выработок, приведенных на рис. 6.

Для смещений, происходящих до установки крепи, в результате аппроксимации была получена логарифмическая зависимость со средним корреляционным отношением, равным 0,99, в которой коэффициенты корреляции А\ и Аг описываются логарифмической и степенной функциями от отношения глубины залегания выработки Нр к сопротивлению пород сжатию Нс с корреляционными отношениями, равными 0,99 и 0,98. Смещения определяются по формуле:

(Н Vю'5674 х!п(Г) + 2,0851-Я -исб«,. (23)

^1 =

г '// \ л +0,4815

- 0,0979-1п

где: Т— время до установки крепи (мес.).

Однако многолетняя практика расчетов показала, что уравнение (23) для условий Донецкого, Кузнецкого и им подобных бассейнов, не может быть использовано для условий слабых вмещающихся пород, характерных для Подмосковного бассейна. Анализ имеющихся научных разработок по практическому проектированию паспортов крепления выявил, что решение вопросов крепления и поддержания горных выработок может быть получено на основе имеющихся баз данных вероятностно-статистического метода, основанного на теории вероятностей и формуле Байеса.

При применении вероятностно-статистического метода влияющие факторы и прогнозируемые величины рассматриваются как случайные величи-

ны, параметры распределения которых определяются с использованием статистических данных. Диапазон изменения каждого фактора разбивается на части, называемые признаками. Обозначим число учитываемых факторов через п, а признаки - 5;, (/=1, 2, 3.....N. где / - номер признака; N - общее число

признаков). Тогда состояние выработки будет описываться определенной совокупностью признаков Диапазоны изменения прогнозируемых величин, так же как и значения факторов, разбиваются на интервалы. Для каждого из интервалов прогнозируемых величин (/=1, 2, ..., т, где т - число интервалов) по статистическим данным определяются значения вероятностей попадания в него признаков которые обозначены Для определения вероятности Pj попадания выработки в интервал прогнозируемой величины в предположении, что попадание в каждый из интервалов равновероятно, используется формула Байеса.

Следует иметь в виду, что формула (теорема) Байеса является достаточно надежным инструментом даже при анализе таких ситуаций, когда в качестве априорной вероятности используется так называемая субъективная вероятность.

При разработке методики в качестве исходной информации были использованы факторы, влияние которых на прогнозируемую величину смещений пород в выработках было установлено многолетними исследованиями, проведенными ТулГУ и ПНИУИ: интервал смещений, глубина заложения выработки, ширина целика, посадка штреков в соседнем столбе, продолжительность во времени между отработкой соседнего столба и проведением штрека, подрывка пород, расположение защитной пачки, приток воды в выработку, тип основной кровли, тип непосредственной кровли, тип почвы, мощность пласта, мощность пород кровли, материал крепи, способ управления кровлей, скорость подвигания очистного забоя, сопротивление сжатию, модуль упругости, коэффициент Пуассона, расстояние от очистного забоя, время, ширина бутовой полосы, длина очистного забоя и др. Естественно, что совокупность неуправляемых факторов устанавливается на основе комплексной оценки углепородных массивов.

Расчетное смещение пород, происходящее до установки крепи, с учетом вероятностей попадания в каждый из рассматриваемых интервалов, определяется по формуле:

и Рпи1ср + Рпи2ср+...+ Р1пипср Рл+Р;2+...+ Р.п

где 1!1ср, и2я„ ...,и„Ср - средние значения смещений пород в принятых интервалах.

Таким образом, в общем виде получены все необходимые расчетные соотношения для прогнозирования смещений пород в подготовительных выработках с учетом всей совокупности влияющих факторов, каждый из которых представлен как случайная величина, подчиняющаяся установленным законам распределения. Расчеты по предлагаемой методике легко автомати-

зируются, что позволяет выбирать оптимальные варианты средств и параметров крепления и поддержания подготовительных выработок.

Для определения равновесных и предельных состояний системы «крепь-массив» нами была использована расчетная модель, базирующаяся на уравнениях метода начальных параметров, разработанная в ТулПИ под руководством Каретникова В.Н. и Клейменова В.Б. Исходными данными для расчета являются геометрические и деформационные параметры крепи и массива пород в окрестности выработки, а также заданные снимаемые напряжения (или нагрузки). При необходимости в качестве исходной информации можно задавать перемещения в рассматриваемых сечениях контура крепи.

Комплексная оценка горно-геологических условий проведения и поддержания подготовительных выработок позволяет производить полноценное моделирование совместной работы крепи и массива горных пород. При этом реализуется задача в нелинейной постановке, как процесс последовательного формирования равновесных состояний системы «крепь-массив» с момента возведения крепи до установления устойчивого равновесия. Этот процесс реализуется путем поэтапной разгрузки массива при замене на каждом, достаточно малом, этапе нелинейных свойств крепи и массива линейными, но с учетом всего предыдущего пути нагружения и деформирования. В качестве возмущающих воздействий на систему приняты снимаемые напряжения, которые, последовательно нарастая, порциями воздействуют на систему и распределяются между совместно перемещающимися крепью и массивом в соответствии с их жесткостью.

В указанную расчетную модель для описания совместной работы крепи и массива было внесено следующее принципиальное изменение - устранена необходимость задания нагрузок на крепь и коэффициентов отпора. Это достигается использованием в итерационном процессе переменного модуля разгрузки массива. С этой целью плавный график деформирования массива на каждом этапе расчета заменяется отрезком прямой, угол наклона которой к осям координат р-и определяется формой уравнения (18) равновесных состояний массива для принятой механической модели и характеризует на каждом этапе разгрузку массива при реализации перемещений контура выработки. При этом используется выражение для определения величины модуля разгрузки массива, как среднее его значение на малом интервале разгрузки:

= -44",-I1

где: - модуль разгрузки массива на /-м этапе совместной работы крепи и массива; н,+1 - величина перемещений контура выработки к началу /-го этапа, вычисляемая по обобщенной модели и корректируемая по формуле (18) в соответствии с известной величиной ь включающая начальные перемещения н0, реализовавшиеся до установки крепи; />м- величина оставшихся напряжений к началу /-го этапа; н,_1 - приращение перемещений на (/- 1)-м этапе, получаемое расчетом с использованием обобщенной математической модели.

1 + 1(4-1)*Ь=1 2 ,

(25)

Вместо нагрузок здесь задаются «снимаемые» напряжения, прикладываемые к контуру выработки и вызывающие его перемещения.

Алгоритм моделирования работы системы «крепь-массив» и обоснования параметров крепления выработок представлен на рис. 7.

Выполняются два больших цикла расчета: внешний (блоки 5-20) - по ступеням приращения перемещений и внутренний (блоки 5-11) - по поиску границ «зон отлипания» (при NOR = 1). Для очередной ступени задаваемых перемещений выполняется формирование системы уравнений (расчетной модели), описывающей напряженно-деформированное состояние крепи, и решение системы по стандартной программе. Первое решение осуществляется без учета сил трения, зон дивергенции и «зон отлипания» (при расчете на заданные нагрузки). На следующем этапе анализируется знак суммарных напряжений или направление сил отпора (при расчете на заданные нагрузки), и для участков, где на контакте «крепь-порода» действуют растягивающие напряжения, принимаются новые значения модуля разгрузки массива или коэффициентов отпора (при расчете на заданные нагрузки), в миллион раз меньше первоначально заданных, т.е. близкие к нулю. При третьем решении для всех участков контура крепи автоматически вводятся силы трения, пропорциональные силам нормального отпора пород. Для определения направления сил трения производится анализ касательных перемещений во всех сечениях крепи. По результатам данного решения корректируются границы зон дивергенции или «зон отлипания» и знаки коэффициентов трения. Решение системы повторяется в четвертый раз, результаты последнего и предыдущего решений сравниваются.

Если максимальные расхождения в корнях системы уравнений превышают 5 %, то расчет повторяется до заданного совпадения результатов. Если же заданная точность 5 % не достигается при шести итерациях, расчет заканчивается с выдачей соответствующего сообщения на печатающее устройство.

После окончания внутреннего цикла производится проверка состояния крепи по фактору устойчивости; при потере устойчивости сообщение об этом выдается на принтер, печатаются результаты расчета для предыдущей ступени нагружения или перемещения (в зависимости от режима работы программы), и происходит остановка расчета.

На следующем этапе расчета вычисляются значения кинематических и силовых факторов в точках деления контура крепи на участки. Эти значения, а также значения суммы активных и реактивных нагрузок (сосредоточенные силы в точках деления контура крепи на участки) выдаются в виде таблиц на принтер. Значения внутренних усилий в крепи анализируются путем сравнения их с предельными. При возникновении пластических шарниров они автоматически вводятся в математическую модель в качестве дополнительных граничных условий.

На заключительном этапе внешнего цикла корректируется геометрическая схема крепи. Затем производится расчет для следующей ступени перемещения крепи, при этом учитывается перераспределение усилий под действием предыдущей ступени перемещения. Окончательно напряженно- дефор-

-6- Корреюкрояка •юн дивергенции или "юн отлипания"

г 4-

Преобраюва ниеснимае-»tf.ii напряжений

—С

р. 3-

Определение коэффициентов аппроксимирующих уравнений

Определение

начальных

условий

* 1 I исходных I данных I

Формирование системы уравнений (математическая модель) и решение ге пи стандарт нон программе.

Анализ касательных перемещений к включение сил трения

р—. 21-

Определение нодкых перемещений массива пород

Опрыелшн; яшиины песиятых напряжений & чассике

Определение коэффн-

писншвра«ру?кн

массива

-19 —

Определение дополнительных нагрузок, об-

услояленных деформациями крепи.

Печать результатов расчете £'М предыдущей итерации по нагрузке

Вычисление усилий и перемещений и сравнение их с предельными значениями

-►^останов)

Рисунок 7. Алгоритм имитационного моделирования работы системы «крепь-массив»

мированное состояние крепи определяется суммированием силовых и кинематических факторов на всех ступенях приращения перемещений.

В результате была усовершенствована разработанная в ТулГУ «Система автоматизированного проектирования паспортов крепления подготовительных выработок» за счет введения в нее уравнений равновесных состояний вмещающих массивов, дополнительных критериев оценки устойчивости выработок и модели оптимизации параметров крепления, что предопределило создание программного комплекса «Байес БАРЯ-ККХ».

В качестве примера работы программного комплекса на рис. 8 приведена графическая интерпретация фрагмента исследований взаимодействия штрековых металлических крепей КМП-К4-3.0, КМП-К4-3.25, КМП-К4-4.1 и КМП-КПЛ-3.25 с массивом пород. Приведенный на рисунке график а, являющийся частью графика равновесных состояний массива, описывается уравнением, полученным для тяжелых горно-геологических условий: Р = 626,2-ехр(-8,14-1/п). Графиками 16, 26, 36 и 1в показан характер деформирования указанных крепей без учета срабатывания узлов податливости. Обозначения на графиках в виде 1,2,3,..., /-1, I, 1+1, ..., к соответствуют порядковым номерам ступеней нагружения; места появления пластических шарниров показаны на графиках окружностями, где цифры перед скобками соответствуют порядковому номеру ступени нагружения, а цифры в скобках

- номерам сечений (схемы б и в), в которых появились пластические шарниры. Точки, обозначенные £=13, соответствуют установившемуся равновесию системы «крепь-массив»; р (16), р (26), р (36) — нагрузки на крепь при установившемся равновесии системы; ркр (1в) - критическая нагрузка на крепь.

Как видим по графику а, к моменту установки крепи вертикальные напряжения р„ на контуре выработки составляют 626 кПа, а смещения контура выработки до установки крепи £/„=0,11 м. Кольцевая крепь КМП-К4-3.0, на-гружение которой показано графиком 16, работает в упруго пластическом режиме. Конечная нагрузка на эту крепьр (16) составляет 366 кПа. В области упругих деформаций ее несущая способность не превышает 286 кПа. Смещения крепи при упругой работе составляют 0,021 м, а при упругопластической

— 0,065 м. Примерно такую же несущую способность и перемещения в предельном состоянии имеет и крепь КМП-К4-3.25 (график 26). В упругой стадии ее несущая способность и перемещения выше, соответственно на 14 и 47 %. Особенностью кольцевой крепи КМП-К4-4.1 (график 36) является то, что она имеет одинаковую несущую способность р (Зб)=405 кПа как в упру-гопластическом, так и в упругом состоянии. Уровень нагрузки на нее на 40 % выше, чем на крепь КМП-К4-3.0. Упругопластическая податливость этой крепи составляет 0,0525 м, а упругая — 0,04 м. Наиболее широко применяется в Мосбассе кольцевая крепь с пологим лежнем КМП-КПЛ-3.25.

Однако, в соответствии с графиком 1в, она имеет существенно меньшую несущую способность по сравнению с рассмотренными выше кольцевыми крепями (в упругой стадии на 28 %, в упругопластической - на 15 %). Наиболее слабым звеном этой крепи является пологий лежень, работа кото-

poro изображена графиком 2в. В результате можно заключить, что уровень нагрузки, воспринимаемой рассматриваемыми крепями в упругопластиче-ской стадии, колеблется от 79 до 400 кПа. При необходимости предотвращения пластических деформаций они должны быть снабжены узлами податливости, имеющими сопротивление от 130 до 670 кН, в зависимости от типа крепи. Однако сопротивление существующих конструкций узлов податливости обычно не превышает 125 кН, что соответствует предельной расчетной нагрузке 78 кПа. В этих условиях перемещения рассмотренных крепей возрастут до 0,29 м, что приведет к недопустимой потере сечения штреков еще до подхода очистного забоя. Отсюда можно заключить, что сопротивление узлов податливости существующих крепей необходимо повышать, а в зоне влияния очистного забоя следует применять специальные усиливающие крепи.

Как видим из приведенного примера, предлагаемая методика позволяет проводить всесторонний анализ взаимодействия породных массивов с крепями разнообразных конструкций и выбирать на этой основе рациональные параметры крепления подготовительных выработок угольных шахт.

При анализе методов, посвященных прогнозированию темпов проходки и технико-экономической оценке проведения и поддержания подготовительных выработок, было установлено, что использование корреляционных моделей не позволяет учесть ряд факторов, которые не могут быть выражены количественно. Такой недостаток может быть устранен на основе вероятностно-статистического метода. Технико-экономические показатели и все влияющие факторы рассматриваются при этом как случайные величины, распределение которых определяется методами, получившими достаточно широкое применение при математической обработке статистических данных.

Основным показателем, определяющим темпы ведения подготовительных работ, является скорость проходки выработки, которая и рассматривается как конечная случайная величина. Для условий слабых вмещающих пород, характерных для шахт Подмосковного бассейна, нами было принято 8 диапазонов скоростей (в м/мес.): V 50; 50<У 100; 100<F 150; 150<F 200; 200<К 250; 250<V 300; 300<V 350; ^>350. В качестве исходных данных были приняты: численность бригады N, чел.; характеристика забоя Х3 (по углю, по породе, смешанный); площадь поперечного сечения выработки S, м2; коэффициент подрывки Кп, крепость пород по проф. М.М. Протодьяконову /; вид транспорта ^(рельсовый, конвейерный). По итогам обработки массивов экспериментальных данных были получены эмпирические значения вероятностей признаков для каждого из факторов.

Для определения вероятности P¡ попадания прогнозируемой величины скорости проходки в у-й интервал (в предположении, что попадание в каждый из интервалов равновероятно) используется формула Байеса. Интервал изменения прогнозируемой величины выбирается по максимальному значению вероятности P¡. Тогда расчетная скорость проведения выработки, с учетом вероятностей попадания в каждый из рассматриваемых интервалов, определяется по формуле:

Р V + Р V +. +Р V

где: Уир, УгсР,У„,г - средние скорости проходки в принятых интервалах.

Поверочный расчет, выполненный для выемочного штрека на участке шахты «Подмосковная» ОАО «Тулауголь» (А-18 чел.; Х3 - смешанный; £ = 8,1 м2; А"/7=0,25; /=1,0-1,5; УУТ - рельсовый) показал, что прогнозная скорость проходки в данных условиях должна составлять 128,8 м/мес.

Расчеты по предлагаемой методике легко поддаются автоматизации, что позволяет выбирать оптимальные параметры технологии проведения подготовительных выработок на основе сравнения вариантов. Варьируя управляемыми факторами, оказывается возможным существенно повысить темпы проходки подготовительных выработок, в частности, за счет применения гибких технологий, учитывающих изменчивость горно-геологических условий по длине проводимой выработки.

При выборе типа и параметров крепи и проектировании паспортов крепления выработок необходимо учитывать не только стоимость их проведения, но и затраты на поддержание в период их эксплуатации. Однако рассчитать эти затраты на стадии проектирования, пользуясь действующими нормами и расценками на горно-подготовительные работы, весьма затруднительно, так как характер и объемы работ по поддержанию заранее неизвестны.

Проведенный нами анализ статистических данных показал, что удельный объем ремонта крепи вне зоны опорного давления е, затраты на ремонт вне зоны влияния очистных работ С2 и на поддержание штрека в зоне сопряжения с очистным забоем С3, также как и скорость проходки, зависят от большого числа факторов, большинство из которых носит случайный характер, поэтому и сами затраты можно рассматривать как случайные величины. В результате обработки данных установлено, что эти затраты подчиняются нормальному закону распределения, а зависят, главным образом, от типа пород почвы и кровли, притока воды, мощности пласта, размера предохранительной пачки и глубины подрывки.

Все прогнозируемые величины были разбиты на интервалы, для которых получены базовые эмпирические значения вероятностей признаков по каждому из факторов. Так, для объема ремонта было выделено три интервала: менее 5 %; от 5 до 15 %; более 15 %. По три интервала было сформировано и для затрат С2 и С3. В результате стало возможным использование формулы Байеса для определения вероятности попадания прогнозируемого экономического показателя в конкретный интервал. Тогда, принимая значения е, Сг и С3 по нижним границам соответствующих интервалов, ожидаемые затраты на поддержание штрека или его участка находятся по формуле:

С — Ц0,01-е-С2+ С3). (27)

Важно отметить, что надежность прогнозирования затрат может повышаться за счет учета других влияющих факторов и уточнения статистических данных. При этом ширина интервала каждой прогнозируемой величины

должна выбираться в зависимости от требуемой точности расчета.

Основные результаты исследований использованы в Методических рекомендациях по выбору параметров крепления подготовительных выработок, принятых и утвержденных ОАО «Подмосковный НИУИ», а также внедрены в общую структуру Учебно-научного комплекса кафедры геотехнологий и геотехники для реализации учебных и научных задач при многоуровневой подготовке специалистов и кадров высшей квалификации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Представленная диссертационная работа является научным квалификационным трудом, в котором на основе разработанной методической базы комплексной оценки горно-геологических условий угольных месторождений, пространственного положения механизированных комплексов в очистном забое, и установленных закономерностей поведения геомеханических систем «крепь-массив» даны новые научно обоснованные технико-технологические решения актуальной проблемы повышения эффективности крепления подготовительных и очистных выработок, имеющие существенное значение для угольной промышленности России.

Основные выводы, научные и практические результаты работы заключаются в следующем.

1. Анализ методов прогнозирования условий ведения горных работ и проектирования параметров крепления горных выработок показал, что использование принятых предположений о механизме геомеханических процессов вокруг выработок, взаимодействии пород с горными крепями и проектировании очистных и подготовительных работ наталкивается на серьезные трудности. Сложность принятия адекватных технико-технологических решений усугубляется недостаточным учетом изменчивости горногеометрических и технологических характеристик угольного пласта и вмещающих пород, так как вся объективная горно-геологическая информация сосредотачивается только вокруг разведочных скважин. Необходимы дополнительные исследования, направленные на автоматизацию задач комплексной оценки горно-геологических условий залегания угольных пластов, прогнозирования условий ведения и проектирования подготовительных и очистных работ.

2. На основе уравнений двойных тригонометрических рядов и положений теории гармонического анализа разработана расчетная модель комплексной оценки геометрических и технологических характеристик вмещающих пород и угольных пластов и адаптации к ним технико-технологических характеристик механизированных комплексов, отличающаяся реализацией пространственного прогнозирования условий подземной разработки угольных месторождений и позволяющая моделировать геотехнологические ситуации с учетом широкого набора горно-геологических факторов.

3. Дано обоснование рациональных траекторий движения секций комплекса и его положения в очистном забое с минимальным объемом присе-каемых пород и оставляемого угля, основанный на итерационном построении изгибных линий комплекса по его основанию и перекрытиям, в максимальной степени приближающихся к топофункциям поверхности почвы и кровли угольного пласта.

4. Для прогнозирования условий ведения и проектирования очистных работ разработано методическое обеспечение, включающее базовые уравнения гармонического анализа, алгоритмы и пакеты прикладных программ, руководство по подготовке и вводу исходных данных, указания по оперативному управлению алгоритмом. Методическое обеспечение позволяет осуществлять оценку пространственной изменчивости абсолютных отметок, мощностей, физико-механичсских и качественных характеристик углепородных массивов, характеристик слоистости, трещиноватости, обрушаемости и управляемости пород кровли, при анализе совокупности которых корректно определяются границы и запасы шахтных полей, выбирается очистное оборудование и прогнозируется нагрузка на очистной забой.

5. Предложены вариант оперативного контроля пространственного по-:ю'л;стшя мехпннзирог.янных комплексов и метод обработки получаемой информации, позволяющие по данным оперативной оценки и анализа положения секций крепи и конвейера, углов их взаимных поворотов и искривления в двух плоскостях по длине лавы принимать адекватные технико-технологические решения по управлению состоянием очистного комплекса в соответствии с проектными показателями.

6. Для различных способов охраны и поддержания подготовительных выработок путем корреляционного анализа получены функциональные зависимости нагрузок на крепь и смещений пород от влияющих факторов: глубины заложения выработки, прочности пород на сжатие, угла залегания пластов, направления проходки и срока службы выработок, ширины охранных целиков, размера зон опорного давления, влияния времени очистных работ и др. При этом к рассмотрению были приняты: вскрывающие выработки, одиночные подготовительные выработки, охраняемые целиками; выемочные штреки, погашаемые за очистным забоем, сохраняемые для повторного использования и проводимые вприсечку к выработанному пространству.

7. Для всех типов анализируемых выработок были получены уравнения равновесных состояний массива, ослабленного выработкой, отражающие связь между смещениями пород и реакциями крепи. При этом установлено, что в общем случае данная связь выражается показательной функцией экспоненциального вида, а входящие в нее коэффициенты являются функциями влияющих факторов.

8. Усовершенствована методика автоматизированного расчета смещений пород и нагрузок на крепь подготовительных выработок за счет введения в нее в качестве исходных данных значений горно-геологических и горнотехнических факторов для широкого диапазона условий, использования уравнений равновесных состояний массива и модуля его поэтапной разгруз-

ки, позволяющих для обоснования параметров крепления перейти к расчету в режиме взаимовлияющих деформаций. Входящие в методику алгоритмы и программное обеспечение позволяют производить многовариантные исследования работы геомеханической системы «крепь - массив» для обоснования рациональных параметров крепления горных выработок.

9. Для условий шахт Подмосковного бассейна разработан метод формализации качественных показателей классификационных признаков типов кровли, почвы и боковых пород, вмещающих подготовительные выработки, позволяющий на основе анализа информации по скважинам полностью автоматизировать процесс подготовки исходных данных в целях построения то-пофункций изменения геологических переменных, зонирования шахтных полей в соответствии с диапазонами изменения факторов и последующего определения типовых смещений пород.

10. На основе теории вероятностной и математической статистики разработан метод прогнозирования темпов ведения проходческих работ и оценки суммарных затрат на поддержание подготовительных выработок с учетом влияния ряда изменяющихся по длине столба факторов, каждый из которых рассматривается как случайная величина со своим законом распределения.

11. Основные результаты исследований использованы в Методических рекомендациях по выбору параметров крепления подготовительных выработок, принятых и утвержденных ОАО «Подмосковный НИУИ», а также внедрены в общую структуру Учебно-научного комплекса кафедры геотехнологий и геотехники для реализации учебных и научных задач при многоуровневой подготовке специалистов и кадров высшей квалификации.

Основное содержание работ опубликовано в следующих работах:

1. Каретников В.Н., Копылов А.Б., Котов В.Ю. Компьютерное моделирование и оценка работоспособности шахтных крепей методом начальных параметров. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. - 292 с.

2. Каретников В.Н., Копылов А.Б., Сарычев В.И. Основы геомеханики: Учебн. пособие. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. - 186 с.

3. Каретников В.Н., Копылов А.Б., Котов В.Ю.Строительство и реконструкция горных предприятий: Учебн. пособие. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. — 334 с.

4. Копылов А.Б. Типизация конструкций и расчетных схем крепи горных выработок// Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов: Сб. науч. трудов. — Тула: Изд-во ТулГУ, 1992. - С. 74-77.

5. Копылов А.Б. Характер разуплотнения пород вокруг выработок// Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов: Сб. науч. трудов. - Тула: Изд-во ТулГУ, 1993. — С. 38-41.

6. Копылов А.Б. Особенности расчета крепей, взаимодействующих со слоем расширяющихся пород// Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов: Сб. науч. трудов. — Тула: Изд-во ТулГУ, 1993. - С. 79-83.

7. Копылов А.Б. Совершенствование экспериментально-аналитического метода оценки устойчивости горных выработок// Известия ТулГУ. Серия «Экология и безопасность жизнедеятельности». — Тула: Гриф и К, 1995. — С. 163166.

8. Копылов А.Б. Автоматизированный выбор параметров крепи подготовительных выработок// Известия ТулГУ. Серия «Экология и безопасность ^ жизнедеятельности». —Тула: Гриф и К, 1995. —С. 158-161.

9. Копылов А.Б. Выбор параметров энергосберегающих паспортов крепления горных выработок// Известия ТулГУ. Серия «Электроснабжение, энергосбережение и электрооборудование». — Тула: Изд-во ТулГУ, 1997. - С. 64-69.

10. Потапенко В.А., Копылов А.Б., Роут Г.Н. О смещениях пород и нагрузках на крепь подготовительных выработок// Технология и механизация горных работ шахтах: Сб. науч. трудов. —М.: Изд-во АГН, 1998. - С. 130-135.

11. Копылов А.Б. Обоснование параметров крепления выработок в слабых вмещающих породах при расчете крепи и массива в режиме взаимо-влияющих деформаций// Проблемы разработки месторождений полезных ископаемых центрального региона РФ: Материалы 1-ой Региональной конференции/ ТулГУ. - Тула, 1998.- С. 42-44.

12. Копылов А.Б., Прохоров Д.О. Системы автоматизированного проектирования энергосбалансированных технологий добычи полезных ископаемых// Проблемы разработки месторождений полезных ископаемых центрального региона РФ: Материалы 1-ой Региональной конференции/ ТулГУ. -Тула, 1998,- С. 103-104.

13. Копылов А.Б. Оценка устойчивости выработок в слабых вмещающих породах// Поиск, оценка и рациональное использование природных ресурсов. Наука практика и перспективы, Материалы 2-ой Международной научно-технической конференции/ ТулГУ. - Тула 1998.- С. 146-147.

14. Копылов А.Б., Котов В.Ю. Автоматизированный расчет параметров крепления подготовительных выработок, поддерживаемых в условиях, характерных для Подмосковного бассейна// Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов: Сб. науч. трудов — Тула: Изд-во ТулГУ, 1998.-С. 26-32.

15. Копылов А.Б., Сушков C.JI., Устинова Е.А. Гармонический анализ эпюр контактных нагрузок// Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов: Сб. науч. трудов. - Тула: Изд-во ТулГУ, 1998. - С. 120-124.

16. Копылов А.Б., Коновалов О.В. Направления моделирования горных ситуаций// Симпозиум «Неделя горняка-98»: Горный информационно-аналитический бюллетень/ МГТУ. - М., 1998. - Вып. 4.

17. Каретников В.Н., Сарычев В.И., Копылов А.Б., Котов В.Ю. Обоснование метода расчета параметров поддержания и крепления выемочных штреков в зоне влияния очистных работ// Проблемы разработки месторождений минерального сырья РФ: Материалы 2-ой Всероссийской конференции/ ТулГУ. - Тула, 1999. - С. 36-38.

18. Каретников В.Н., Копылов А.Б., Сарычев В.И., Харламов А.Е. Методы расчета секционных крепей очистных забоев// Проблемы разработки

месторождений минерального сырья РФ: Материалы 2-ой Всероссийской конференции/ ТулГУ. - Тула, 1999. - С. 56-58.

19. Копылов А.Б., Туляков С.П., Сушков C.JI. Комплексное использование программных средств при автоматизированном расчете гипсометрических характеристик угольного пласта// Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов: Сб.науч.трудов. —Тула: Изд-во ТулГУ, 2000. - Ч. 1. — С. 34-41.

20. Каретников В.Н., Копылов А.Б., Сарычев В.И., Прохоров Д.О. Основы методологии исследования и прогнозирования геомеханических процессов в массивах пород при эксплуатации месторождений полезных ископаемых// Технологические проблемы разработки месторождений в сложных горнотехнических условиях: Материалы 1-ой Международной конференции/ ТулГУ. - Тула, 2000 - С. 60-62.

21. Копылов А.Б., Миронова М.В., Сушков С.И. Оценка устойчивости горных выработок в условиях пластичности и больших перемещений// Технологические проблемы разработки месторождений в сложных горнотехнических условиях: Материалы 1-ой Международной конференции/ ТулГУ. -Тула, 2000-С. 67-68.

22. Копылов А.Б., Котов В.Ю., Харламов А.Е. Основные положения метода расчета крепей подготовительных выработок по замеренным перемещениям// Симпозиум «Неделя горняка-2000»: Горный информационно-аналитический бюллетень/ МГТУ. —М., 2001. - Вып. 8. - С. 150-151.

23.Каретников В.Н., Копылов А.Б., Методическое обеспечение для планирования отработки участков шахтных полей механизированными комплексами// Геотехнологии: проблемы и перспективы: Материалы 2-й Международной научно-практической конференции/ТулГУ. - Тула, 2001. — С. 1112.

24. Каретников В.Н., Копылов А.Б., Харламов А.Е. Компьютерные технологии при проектировании комплексно-механизированной очистной выемки угольных пластов// Геотехнологии: проблемы и перспективы: Материалы 2-й Международной научно-практической конференции/ ТулГУ. - Тула, 2001.-С. 14-17.

25. Каретников В.Н., Копылов А.Б., Харламов А.Е. Автоматизированный расчет геомеханических характеристик угольного пласта// Геоинформационные технологии в решении региональных проблем: Материалы 3-ей Всероссийской конференции/ТулГУ. — Тула, 2001. - С. 146-153.

26. Каретников В.Н., Копылов А.Б., Харламов А.Е. Моделирование условий работы крепей на выемочном участке шахтного поля// Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства: Материалы 2-ой Международной конференции/ ТулГУ. - Тула, 2002. - С. 152-160.

27. Копылов А.Б., Туляков С.П., Коряков А.Е. Графическая интерпретация комплексного использования программных средств при расчёте характеристик крепей// Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отхо-

дов горного производства: Материалы 2-ой Международной конференции/ ТулГУ. - Тула, 2002. - С. 166-169.

28. Копылов А.Б., Котов В.Ю, Миронова М.В. Особенности формирования граничных условий при расчете податливых крепей по измеренным смещениям// Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства: Материалы 2-ой Международной конференции/ ТулГУ. - Тула, 2002. - С. 221-226.

29. Копылов А.Б., Харламов А.Е. Универсальный метод прогнозирования нагрузок на шахтные крепи в системе «САПР-KREP»// Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов: Сб. науч. трудов/ - Тула: Изд-во ТулГУ, 2002.-С. 107-112.

30. Каретников В.Н. Копылов А.Б., Харламов А.Е. Разработка модели и программного обеспечения, основанного на методе Байеса для определения смещений и нагрузок в горных выработках// Проблемы и перспективы развития горнодобывающей промышленности Подмосковного бассейна: Материалы 2-й Международной научно-практической конференции/ ТулГУ. - Тула, 2002. - С. 92-100.

31. Каретников В.Н., Копылов А.Б., Харламов А.Е., Кураева И.С. Методика вероятностного прогнозирования проведения и поддержания подготовительных выработок// Известия ТулГУ. Серия «Геомеханика. Механика подземных сооружений». Вып. 1. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. - С. 115-124.

32. Каретников В.Н., Копылов А.Б., Прохоров Д.О., Харламов А.Е. Анализ особенностей работы крепей горных выработок, проводимых в слабых глинистых породах// Известия ТулГУ. Серия «Геомеханика. Механика подземных сооружений». Вып. 1. —Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. —С. 125-131.

33. Копылов А.Б., Прохоров Д.О., Котов В.Ю., Зуйков С.А. Методика прогнозирования геомеханических условий разработки пластовых месторождений// Известия ТулГУ. Серия «Геомеханика. Механика подземных сооружений». Вып. 1. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. - С. 234-238.

34. Копылов А.Б. Экспериментально-аналитический метод выбора параметров крепления, охраны и поддержания подготовительных выработок// Известия ТулГУ. Серия «Геомеханика. Механика подземных сооружений». Вып. 1. -Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. -С. 162-175.

35. Копылов А.Б. Методическое обеспечение компьютерных технологий управления геомеханическими процессами при подземной разработке угольных пластов// Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики: Материалы 1-ой международной конференции. — Тула: Гриф и К, 2003. - С. 41-52 .

36. Каретников В.Н., Копылов А.Б., Харламов А.Е., Кураева И.С. Вероятностное прогнозирование условий поддержания подготовительных выработок// Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики: Материалы 1-ой международной конференции. — Тула: Гриф и К, 2003. - С. 57-62.

37. Каретников В.Н., Копылов А.Б., Харламов А.Е., Нечаева O.A. Исследование взаимодействия с породами крепей подготовительных выработок на больших глубинах// Социально-экономические и экологические проблемы

горной промышленности, строительства и энергетики: Материалы 1-ой международной конференции. — Тула: Гриф и К, 2003. - С. 77-82.

38. Каретников В.Н., Копылов А.Б., Прохоров Д.О., Котов В.Ю. Расчетная модель и методическое обеспечение имитационного моделирования режимов нагружения многозвенных систем выемочного оборудования при ведении горных работ// Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики: Материалы 1-ой международной конференции. - Тула: Гриф и К, 2003. - С. 196-202.

39. Копылов А.Б., Котов В.Ю., Прохоров Д.О., Миронова М.В. Автоматизированный прогноз состояния шахтных крепей с применением метода начальных параметров// Известия ТулГУ. Серия «Экология и безопасность жизнедеятельности». Вып. 6. -Тула: Гриф и К, 2003 - С. 113-117.

40. Копылов А.Б., Харламов А.Е., Миронова М.В. Вероятностное прогнозирование темпов проведения подготовительных выработок// Известия Тульского государственного университета. Серия «Экология и безопасность жизнедеятельности». Вып. 6. —Тула: Гриф и К, 2003 - С.118-122

41. Копылов А.Б., Сарычев В.И., Лукоянов Р.Н. Прогнозирование темпов проведения и поддержания подготовительных выработок// Тул.гос.ун-т. — Тула, 2004.-11 е.: ил. - Библиогр.: 5 назв. — Рус. — Деп. в ВИНИТИ 22.06.2004, № 1055-В2004.

42. Копылов А.Б., Харламов А.Е. Прогнозирование взаимодействия механизированных крепей с массивом горных пород// Тул.гос.ун-т. - Тула, 2004.-9 е.: ил. - Библиогр.: 5 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 22.06.2004, № 1056-В2004.

43. Каретников В.Н., Копылов А.Б., Харламов А.Е. Прогнозирование условий работы механизированных крепей// Известия ТулГУ. Серия: «Экология и рациональное природопользование». Вып. 2. - М.—Тула: Гриф и К,

2004.-С. 266-273.

44.Копылов А.Б., Харламов А.Е. Математическое моделирование работы механизированных крепей с учетом изменчивости горно-геологических факторов// Известия ТулГУ. Серия: «Экология и рациональное природопользование» Вып. 2. - М.-Тула: Гриф и К, 2004. - С. 273-278.

45. Сарычев В.И., Копылов А.Б., Харламов А.Е. К вопросу адаптации параметров комплексно-механизированной выемки к изменчивости горногеологических условий отработки угольных пластов// Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики: Материалы 2-й Международной конференции/ ТулГУ. -Тула, 2005.-С. 71-74.

46. Сарычев В.И., Копылов А.Б., Харламов А.Е. Основы геоинформационного обеспечения комплексно-механизированной выемки пологих угольных пластов в пространственной постановке// Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики: Материалы 2-й Международной конференции/ ТулГУ. - Тула,

2005.-С. 67-70.

47. Копылов А.Б. Вероятностное прогнозирование проведения и поддержания подготовительных выработок // Известия ТулГУ. Серия: «Экология

и рациональное природопользование». Вып. 3. - М.-Тула: Гриф и К, 2006. -С. 26-33.

48. Захаров Е.И., Сарычев В.И., Копылов А.Б., Харламов А.Е. Теоретические основы адаптации механизированных комплексов к различным горногеологическим условиям // Известия ТулГУ. Серия: «Экология и рациональное природопользование». Вып. 3. - М.-Тула: Гриф и К, 2006. - С. 33-40.

49. Захаров Е.И., Сарычев В.И., Копылов А.Б., Харламов А.Е. К вопросу эффективной отработки угольных пластов на основе прогнозирования условий ведения работ // Известия ТулГУ. Серия: «Экология и рациональное природопользование». Вып. 3. - М.-Тула: Гриф и К, 2006. - С. 40-46.

50. Копылов А.Б. Обоснование параметров крепления подготовительных и очистных выработок на основе комплексной оценки горногеологических условий угольных месторождений// Энергетическая безопасность России: новые подходы к развитию угольной промышленности. Материалы УШ-й Международной научно-практической конференции/ - Кемерово, 2006.-С. 71-74.

51. Копылов А.Б. Адаптация параметров механизированных комплексов к различным горно-геологическим условиям// Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - Спецвыпуск. Перспективы развития Восточного Донбасса.-2006.-С 152-161.

Изд.лиц. ЛР №020300 от12.02.97. Подписано в печать 25.09.06 Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л.2,4. Уч.-изд.л.1,9. Тираж 100 экз. Заказ 103

Тульский государственный университет. 300600, г. Тула, просп. Ленина, 92

Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300600, г.Тула, ул. Болдина, 151

Содержание диссертации, доктора технических наук, Копылов, Андрей Борисович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1.

АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Введение

1.2. Обзор и анализ методов прогнозирования горногеологических и горнотехнических условий разработки угольных пластов

1.2.1. Анализ прогнозирования изменчивости горногеологических условий

1.2.2. Анализ прогнозирования гипсометрии почвы угольных пластов

1.3. Анализ аналитических решений задач о взаимодействии крепей подготовительных выработок с боковыми породами

1.3.1. Анализ применяемых при прогнозировании проявлений горного давления механических моделей массива

1.3.2. Анализ существующих расчетных схем крепи

1.4. Анализ проявления горного давления при выемке угля

1.5. Выводы по 1 главе

ГЛАВА 2.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК УГОЛЬНОГО ПЛАСТА

2.1. Общие положения

2.2. Исследование горно-геологических условий залегания угольных пластов при его разработке механизированными комплексами

2.3. Математическая модель распределения характеристик условий залегания угольного пласта

2.4.Геометрическое описание условий залегания угольного пласта и вмещающих пород

2.5. Выводы по главе

ГЛАВА 3.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АДАПТАЦИИ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСОВ К РАЗЛИЧНЫМ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИМ УСЛОВИЯМ

3.1. Метод практической оценки кровли с использованием интегральных критериев

3.2. Выбор очистного оборудования для различных условий движения очистного комплекса в угольном пласте

3.3. Обоснование параметров рационального положения и движения комплекса в профиле угольного пласта

3.4. Выводы по главе 3. '

ГЛАВА 4.

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ УСЛОВИЙ ПОДДЕРЖАНИЯ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК И ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ИХ КРЕПЛЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ РАЗВИТИЯ ГОРНЫХ РАБОТ

4.1 .Общие положения

4.2.Обоснование обобщенных графиков равновесных состояний массива при ведении подготовительных работ

4.2.1. Вводные положения

4.2.2. Околоствольные и вскрывающие выработки

4.2.3. Подготовительные выработки охраняемые целиками

4.2.4. Подготовительные выработки примыкающие к очистным забоям

4.3. Прогнозирование с использованием вероятностно-статистического метода Байеса

4.4. Выводы по главе

ГЛАВА 5.

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РАСЧЕТА КРЕПЕЙ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ГРАФИКОВ РАВНОВЕСНЫХ СОСТОЯНИЙ СИСТЕМЫ «КРЕПЬ-МАССИВ»

5.1. Вводные положения

5.2. Методологические основы решения задачи расчета шахтных крепей в режиме совместной работы с массивом пород I7I

5.3. Формирование структуры математической модели для расчета шахтных крепей в режиме их взаимодействия с массивом пород

5.4. Алгоритм моделирования равновесных и предельных состояний системы «крепь-массив»

5.5. Методика расчета равновесных и предельных состояний системы «крепь-массив»

5.5.1. Описание и ввод исходных данных

5.5.2. Программа расчета на ЭВМ

5.5.3. Пример возможности и преимущества предлагаемой методики

5.6. Выводы по 5 главе

Глава 6.

МОДЕЛИРОВАНИЕ УСЛОВИЙ ВЕДЕНИЯ И

ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОДГОВИТЕЛЬНЫХ И

ОЧИСТНЫХ РАБОТ

6.1. Прогнозирование темпов проведения и поддержания подготовительных выработок

6.1.1. Вероятностное прогнозирование темпов проведения подготовительных выработок

6.1.2. Вероятностное прогнозирование технико-экономических показателей проведения и поддержания подготовительных выработок

6.2. Методика автоматизированного прогнозирования горногеологических условий подготовительных работ

6.3. Разработка метода автоматизированного проектирования подготовительных работ

6.4. Автоматизированный расчет характеристик угольного пласта и движения очистного механизированного комплекса при разработке угольных пластов в различных условиях

6.6. Выводы по главе

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование параметров крепления подготовительных и очистных выработок на основе комплексной оценки горно-геологических условий угольных месторождений"

Существенное влияние на показатели добычи угля оказывает прогрессирующее вовлечение в отработку пластов со сложными горно-геологическими условиями, снижающее эффективность использования современных очистных комплексов. Особую важность при этом приобретают вопросы корректной оценки условий ведения горных работ, на основании которой принимаются гехнико-технологические решения по обеспечению максимально возможной нагрузки на очистной забой. Значительные затруднения здесь возникают при принятии решений по отработке угольных пластов по схеме «шахта-пласт», отличающейся значительными размерами лав и выемочных столбов. Главная трудность заключается в получении максимальной адекватности исходной информации, реально отражающей не только структуру, строение, физико-механические характеристики вмещающих массивов и угольных пластов, но и конструктивные особенности крепей (комплексов). Решение этой проблемы позволит получить результаты, имеющие высокую практическую ценность в различных геотехнологических ситуациях.

Диссертационная работа выполнена на основе обобщения результатов исследований, выполненных при поддержке ФЦП «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы» (Государственный контракт №Б0118/663), грантами Минобразования РФ (№ Т02-04.4-2107, № 36601 Гр, 036-01 Гр) и грантами РФФИ (№ 01-05-96011, № 04-05-96701), а также в рамках госбюджетной темы (№ 3301).

Идея работы заключается в том, что комплексная оценка горногеологических условий угольных месторождений обеспечивает повышение эффективности отработки пологих и наклонных пластов на основании результатов имитационного моделирования пространственного положения механизированных комплексов в очистных забоях и равновесных состояний системы крепь-массив» в подготовительных выработках.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна: имитационная модель функционирования комплексно-механизированного забоя, основанная на учете геометрических и технологических характеристик угольных пластов, вмещающих пород и технико-технологических характеристик механизированных комплексов, позволяет осуществлять рациональный выбор оборудования, управлять процессами выемки при его эксплуатации, а также оценивать комплексно-механизированный забой на предмет эффективной эксплуатации в реальных условиях; пространственное прогнозирование условий отработки шахтного поля основывается на уравнениях двойных тригонометрических рядов, позволяющих комплексно оценивать и взаимно адаптировать геометрические и технологические характеристики вмещающих пород, угольных пластов и технико-технологические характеристики механизированных комплексов; комплексная оценка геометрических и технологических характеристик вмещающих пород, угольных пластов и технико-технологических характеристик механизированных комплексов, отличающаяся учетом взаимной адаптации характеристик системы «пласт-комплекс», положений комплекса в пласте не только в локальных зонах (выемочных столбах), но и по всему шахтному полю, позволяет корректно осуществлять выбор оборудования механизированного комплекса очистных забоев на основе интегральных показателей управляемости кровлей и проектировать нагрузку на очистной забой с учетом минимальных объемов присекаемых пород в пределах выемочных участков; анализ положения секций комплекса и конвейера, углов их взаимных поворотов и кривизны изгиба по длине лавы в двух плоскостях позволяет оперативно оценивать пространственное положение механизированного комплекса в очистном забое и в процессе ведения очистной выемки корректировать движение секций крепи в соответствии с проектной траекторией; установлена взаимосвязь параметров смещений пород и нагрузок на крепь в подготовительных выработках от совокупности влияющих факторов при различных способах охраны и поддержания выработок и получены уравнения равновесных состояний массива, ослабленного выработками, которые выражаются показательными функциями экспоненциального вида, а входящие в них коэффициенты являются функциями влияющих факторов при различных способах охраны и поддержания выработок; метод автоматизированного расчета смещений пород и нагрузок на крепь подготовительных выработок, базирующийся на уравнениях начальных параметров, отличающийся введением в качестве исходных данных значений горно-геологических и горнотехнических факторов для широкого диапазона условий и учитывающий взаимовлияющие деформации в системе «крепь -массив», позволяет производить полноценное моделирование совместной работы крепи и массива горных пород; учет влияния изменяющихся по длине выемочного столба геотехнических факторов, таких как: характеристика забоя, площадь поперечного сечения выработки, крепость пород, коэффициент подрывки, вид транспорта и др., каждый из которых рассматривается как случайная величина со своим законом распределения, повышает эффективность прогнозирования темпов ведения подготовительных работ.

Научное значение работы заключается в создании метода комплексной оценки геометрических и технологических характеристик горногеологических условий залегания пологих угольных пластов и адаптации к ним технико-технологических характеристик механизированных комплексов, а также в установлении закономерностей формирования равновесных и предельных состояний системы «крепь-массив» с учетом максимального количества влияющих факторов, позволяющих на их основе экспериментально-аналитического метода прогнозировать проявления горного давления в подготовительных выработках угольных шахт.

Практическое значение работы состоит: в создании методических основ автоматизированного прогнозирования условий ведения и обосновании параметров крепления подготовительных и очистных выработок; в использовании методической базы имитационного моделирования взаимодействия крепей подготовительных выработок с боковыми породами и оперативной оценки пространственного положения механизированных комплексов на различных участках отработки шахтных полей; в разработке алгоритмов, блок-схем и пакетов прикладных программ, обеспечивающих автоматизированное прогнозирование параметров крепления подготовительных и очистных выработок, позволяющие повысить эффективность отработки участков шахтных полей в широком диапазоне горногеологических условий.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на заседании ученого совета ОАО «Подмосковный НИУИ» г. Новомосковск (1996 г.), на расширенных заседаниях кафедры технологии и комплексной механизации горных работ (г. Тула, 1996 г.) и кафедры геотехнологий (г. Тула, 2000 г.), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 1996 - 2006 гг.), на 1-й Международной конференции «Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» (г. Тула, 1996 г.), на симпозиумах «Неделя горняка» (г. Москва, 1998, 2001 гг.), на 1-й Региональной конференции «Проблемы разработки месторождений полезных ископаемых Центрального региона Российской Федерации» (г. Тула, 1998 г.), на Международной научно-технической конференции «Энергосбережение - 98» (г. Тула, 1998 г.), на 2-й Всероссийской конференции «Проблемы разработки месторождений минерального сырья Российской Федерации» (г. Тула, 1999 г.), на Международной научно-технической конференции «Энергоснабжение, экология и безопасность» (г. Тула, 1999 г.), на 1-й Международной конференции «Технологические проблемы разработки месторождений в сложных горнотехнических условиях» (г. Тула, 2000 г.), на 2-й Международной научно-практической конференции «Геотехнологии: проблемы и перспективы» (г. Тула, 2001 г.), на 2-й Международной конференции «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» (г. Тула, 2002 г.), на 2-й Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития горнодобывающей промышленности Подмосковного бассейна» (г. Тула, 2002 г.), на Международных конференциях по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2003, 2005 гг.), на 1-й Международной и 55-й юбилейной конференции «Перспективы развития Восточного Донбасса» (г.Шахты, 2006 г), на VIII-й Международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России: новые подходы к развитию угольной промышленности» (г. Кемерово, 2006 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликована 51 работа, в том числе монография и два учебных пособия.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, изложенных на 263 страницах машинописного текста, включая 87 рисунков, 18 таблиц и перечень литературы из 149 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Копылов, Андрей Борисович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Представленная диссертационная работа является научным квалификационным трудом, в котором на основе разработанной методической базы автоматизированного прогнозирования условий ведения и проектирования подготовительных и очистных работ, даны научно обоснованные технико-технологические решения актуальной проблемы повышения эффективности и безопасности отработки пологих угольных пластов в различных горногеологических условиях.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Копылов, Андрей Борисович, Тула

1. Аналитические исследования несущей способности секций механизированных крепей. Клейменова Э.А. В кн.: Исследование и совершенствование очистных комплексов и агрегатов. Тула, 1973, с. 234-260.

2. Анализ работы крепи МК-97. Трембач И.А., Фалетов А.И. В кн.: Расчет механизированных крепей на устойчивость. Вып. 2. Тула, ТПИ, 1974, стр. 74-90.

3. Амусин Б.З., Фадеев А.Б. Метод конечных элементов при решении задач горной геомеханики. М.: Недра, 1975.

4. Ардашев К.А., Ахматов В.И., Катков Г.А. Методы и приборы для исследования проявлений горного давления. М.: Недра, 1981.

5. Архангельский A.C. Механизированная крепь как рабочая машина и критерии ее совершенства. "Уголь", 1970, №3.

6. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкции крепей. — М.: Недра, 1984. — 415 с.

7. Беленя Е.И. Предварительно-напряженные металлические несущие конструкции. -М., Гисстройиздат, 1963.

8. Бобылев А.П. Исследование проявлений юрного давления в очистных забоях угольных шахт с целью разработки научных основ создания механизированных крепей при струговой выемке. Докторская диссертация, 1969.

9. Божко В.И. Исследования и совершенствование крепей подготовительных выработок в слабых неустойчивых породах. Диссертация ИГД им. А.А. Скочинского, 1973.

10. Борисов А.А. Механика горных пород и массивов. М.: Недра, 1980.-360 с.

11. Борисова М А. Разработка методов оперативного контроля и прогноза деформаций кровли очистных забоев с помощью ЭВМ. Автореф. Канд. техн. наук. Л., ЛГИ, 1973.

12. Бреднев В.А. Численная реализация геомеханической модели взаимодействия крепи горных выработок с массивом пород // Механика подземных сооружений / ТулПИ. — Тула, 1986. — с. 105—107.

13. Бреднев В.А. Расчет геомеханической системы крепь-массив методом стержневой аппроксимации // Механика подземных сооружений /ТулПИ. -Тула, 1984. с.23-33.

14. Будник В.М., Грицаюк Б.И. Совершенствование очистных комплексов и исследование взаимодействия их с боковыми породами. Огчет по теме №12-70, ПНИУИ, Новомосковск, 1970.

15. Будник В.М., и др. Взаимодействие крепи комплекса ЗМК с вме-щающаюми породами. Уголь, №10, 1972.

16. Будник В.В. Особенности проявлений горного давления и выбор параметров механизированных крепей для осваиваемых месторождений Подмосковного угольного бассейна: Дис.канд. техн. наук/ТулПИ. Тула, 1982. -139 с.

17. Булычев Н.С., Амусин Б.З., Оловянный А.Г. Расчет крепи капитальных горных выработок.- М.: Недра, 1974.- 320 с.

18. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах: Учебное пособие для вузов.- М.: Недра, 1989.- 270 с.

19. Булычев Н.С., Фотиева Н.Н., Стрельцов Е.В. Проектирование и расчет крепи капитальных выработок. — М.: Недра, 1986. — 288 с.

20. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений: Учеб. для вузов. -2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1994. - 382 с.

21. Бурчаков А.С., Гринько Н.К., Ковальчук А.Б. Технология подземной выработки пластовых месторождений полезных ископаемых. М.: Недра, 1978.

22. Бушцев Н.П., Брусиловский Б.М. Исследование работы механизированной крепи МК-97. Торные машины и автоматика", 1970, №11, 12.

23. Бушцев Н.П., Филетов В.Г. Сравнительные исследования работы механизированных крепей М-87Д и МК-97. "Горные машины и автоматика", 173, №5.

24. Бычков Д. В. Строительная механика стержневых тонкостенных конструкций. М., Стройиздат, 1962. 475 с.

25. Власов В. 3. Строительная механика тонкостенных пространс1 венных систем. М., Стройиздат, 1958. 502 с.

26. Вопросы теории горного давления. Под общей ред. А.А.Борисова. М.: Госгортехиздат, 1961.- 300 с.

27. ВНИМИ, ВНИИОМШС Минуглепрома СССР. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи. М.: Стройиз-дат, 1983.- 272 с.

28. Гелескул М.Н., Каретников В.Н. Справочник по креплению капитальных и подготовительных горных выработок. — М.: Недра, 1982. — 480 с.

29. Гелескул М.Н., Услан-Подгорнов Б.М. Поддержание горных выработок. — М.:Недра, 1982 — 210 с.

30. Гетопанов В. Н., Гудилин Н. С., Чугреев JI. И. Горные и транспортные машины и комплексы. М.: Недра, 1991. - 304 е.: ил.

31. Горбунов-Посадов М.И., Маликова Т.А., Соломин В.И. Расчет конструкций на упругом основании. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1984. 679 с.

32. Грицаюк Б.И. Методы оптимизации параметров механизированных крепей / Сб.: Прогнозирование условий и повышение эффективности подземной разработки угольных месторождений. Новомосковск: Изд. АО "ПНИУИ", 1997.-е. 54-56.

33. Давыдов С. С. Расчет и проектирование подземных конструкций. М., Стройиздат, 1950. 376 с.

34. Джапаридзе J1.A. Расчет крепи протяженных горных выработок по предельным состояниям.- М.: Недра, 1991.-221 с.

35. Докукин А.В., Коровкин Ю.А., Яковлев Н.И. Механизированные крепи и их развитие. М.: Недра, 1984.-288 с.

36. Ержанов Ж.С., Каримбаев Т.Д. Метод конечных элементов в задачах механики горных пород. Алма-Ата: Наука, 1975.

37. Ерофеев JI.M. Методика прогнозирования горного давления и условия работы крепей. — Кемерово: ин-т КузНИИШахтострой, 1975.- 195 с.

38. Ерофеев Л.М., Мирошникова JI.A. Повышение надежности крепи горных выработок.- М.: Недра, 1988.- 245 с.

39. Ерохин А.И., Семенов Ю.Н., Коробов М.С. исследование работы комплексов механизированных крепей в различных горно-геологических уеловиях. Уголь,№8, 1967.

40. Жучкова Н. Г. Математическая модель системы база-рабочий орган при управлении очистным комплексом вдоль выемочного столба.- В кн.: Механизация горн, работ на угол, шахтах. Тула, ТулПИ, 1986, с. 29-32.

41. Заславский Ю.З., Дружко Е.Б. Новые виды крепи горных выработок.-: Недра, 1989. -256 с.

42. Зафилахи Й.В. Разработка метода расчета комбинированной крепи горизонтальных горных выработок на основе нелинейной модели взаимодействия ее с массивом,- Дисс. канд.техн.наук.- М., 1991.- 191 с.

43. Зенкевич О., Чанг И. Метод конечных элементов в теории сооружении в механике сплошных сред. М.: Недра, 1974. - 240 с.

44. Зиглин JI.A., Куракин А.И. Выбор типа механизированной крепи для ш. Подмосковного бассейна, Уголь, №5, 1965.

45. Зиглин JI.A. Управление боковым наклоном секций механизированной крепи ОМКТ. "Технология и экономика угледобычи", 1996,№9,10.

46. Зональная дезинтеграция горных пород вокруг подземных выработок. Е.И.Шемякин, Г.Л.Фисенко, М.В.Курленя и др.//Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 1986. — №3. — С. 3 — 15.

47. Изаксон В.Ю. Определение нагрузок на крепь горных выработок по измеренным перемещениям -Новосибирск: Наука, 1989.-71 с.

48. Инструкция по выбору рамной металлической податливой крепи горных выработок. Л.: ВНИМИ, 1986. - 56 с.

49. Инструкция по проектированию предварительно-напряженных стальных конструкций. -М., Госстройиздат, 1961.

50. Казак Ю.Н. Некоторые теоретические положения точности механизмов управления движением выемочных комплексов и агрегатов в профиле пласта. В кн.: Механизация горн, работ на угол, шахтах. Тула, 1986, с. 18-21.

51. Казак Ю.Н., Жучкова Н. Г., Демин В.К. Выбор параметров механизма управления движением выемочного агрегата в профиле пласта.-В кн.: Механизация горных работ на угольных шахтах. Тула, 1979, с. 6-9.

52. Каретников В.Н., Клейменова Э.А. Методические рекомендации по расчету механизированных крепей на прочность и устойчивость с помощью

53. ЭВМ. В кн.: Исследование и совершенствование очистных комплексов и агрегатов. -Тула, 1973, с. 261-301.

54. Каретников В.Н., Миронова М.В. Определение предельных состояний системы «крепь-массив» при упруго-пластическом деформировании крепи и массива //Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов. Тула: ТулПИ, 1991. - с. 26-33.

55. Каретников В.Н., Клейменов В.Б., Бреднев В.А. Автоматизированный расчет и конструирование металлических крепей подготовительных выработок,- М.: Недра, 1984.-312 с.

56. Каретников В.Н., Клейменов В.Б., Нуждихин А.Г. Крепление капитальных и подготовительных горных выработок.- М.: Недра, 1989.- 571 с.

57. В.Н. Каретников, Копылов А.Б., Д.О. Прохоров, В.Ю. Котов Расчетная модель и методическое обеспечение имитационного моделирования режимов нагружения многозвенных систем выемочного оборудования при ведении горных работ с. 196-202.

58. В.Н. Каретников, Копылов А.Б., В.Ю. Котов Компьютерное моделирование и оценка работоспособности шахтных крепей методом начальных параметров Издательство ТулГУ, Тула, 2003. 292 с.

59. Каталог типовых условий эксплуатации механизированных комплексов на пологонаклонных (до 35°) пластах./Часть II/ ВНИМИ. -JL, 1985. -342с.

60. Клейменова Э.А. Исследование несущей способности секций механизированных крепей при сложных нагрузках: Дис канд техн. наук/ ТулПИ -Тула, 1972.-193 с.

61. Комиссаров С.Н. Управление массивом горных пород вокруг очистных выработок. М.: Недра, 1983. — 237 с.

62. Копылов А.Б. Совершенствование экспериментально-аналитического метода оценки устойчивости горных выработок //Экология и безопасность жизнедеятельности, ТулГУ, Тула, Известия ТулГу, 1995 г. с. 161-166.

63. Копылов А.Б. Автоматизированный выбор параметров крепи подготовительных выработок //Экология и безопасность жизнедеятельности, ТулГУ, Тула, Известия ТулГу, 1995 г. -158-166 с

64. Копылов А.Б. Выбор параметров энергосберегающих паспортов крепления горных выработок// Электроснабжение, энергосбережение и электрооборудование ТулГУ, Тула, Известия ТулГу, 1997г. с. 64-69

65. Копылов А.Б. Экспериментально-аналитический метод выбора параметров крепления, охраны и поддержания подготовительных выработок с. 162-175

66. Копылов А.Б., Харламов А.Е. Математическое моделирование работы механизированных крепей с учетом изменчивости горно-геологических факторов. Известия ТулГУ Серия: «Экология и рациональное природопользование» Выпуск 2 , Москва Тула 2004

67. Коровкин Ю.А. Механизированные крепи очистных забоев/Под ред. Ю.Л.Худина. -М.:Недра, 1990.-413 е.: ил.

68. Коряков А.Е. Математическое моделирование предельных naipy-жений и оценка прочности конструкций механизированной крепи: Дис.канд. техн. наук/ТулПИ. Тула, 1991.-200 с.

69. Кошелев К.В., Томасов А.Г. Поддержание, ремонт и восстановление горных выработок.- М.: Недра, 1985.- 215 с.

70. Крашкин И.С. Разработка пологих угольных пластов в неустойчивых породах. М.: Недра, 1986.-207 с.

71. Крепление горных выработок угольных шахт. Учебно-научное издание в трех томах. Том 1. Под общ. ред. В. Н. Каретникова, В. А. Потапенко, В. Е. Савченкова. Москва-Тула, 1999. -464 с.

72. Крепи механизированные, Стойки и домкраты. Расчет на прочность. Методика. ОСТ 24.070.110 -М., Гипроуглемаш, 1969.

73. Крупенников Г.А. Исходные данные для конструирования механизированных крепей применительно к условиям очистных выработок Подмосковного бассейна. Сб. "Исследования горного давления применительно к механизированным крепям". Углетехиздат, 1954.

74. Лаббас А. Давление горных пород в угольных шахтах.// Вопросы теории горного давления. — М.: Госгортехиздат, 1961. — С.59 — 164.

75. Либерман Ю.М. Давление на крепь капитальных выработок. М.: Наука, 1969.- 119 с.

76. Литвинский Г.Г. Механизм пучения пород почвы подготовительных горных выработок// Уголь. — 1987.- № 2.- С. 15—18.

77. Литвинский Г.Г., Гайко Г.И., Кулдыркаев Н.И. Стальные рамные крепи горных выработок.-К.:Техника, 1999. 216 с.

78. Максимов А.П. Горное давление и крепь выработок. — М.: Наука, 1973.— 131 с.

79. Матвеев Б.В. О графическом представлении механизма работы крепи в горной выработке //Уголь, 1952, №11. С. 22 — 25.

80. Махутов Н.А., Серегин А.С. Механика деформирования и разрушения. М.: МНИТ, 1988-70 с.

81. Машины и оборудование для угольных шахт: Справочник / Под ред. Н. Хорина. 4-е изд., перераб. и доп. - М: Недра, 1987. - 424 с.

82. Методика расчета на прочность стоек и домкратов механизированных шей (первая редакция). -М., Гипроуглемаш, 1967.

83. Методика автомашзированною проектирования крепей капитальных горных выработок для условий Кузнецкого угольного бассейна /КузНИИШахтосгрой.- Кемерово, 1988.- 119 с.

84. Методика автоматизированного расчета предельных состояний системы «крепь- массив» при неупругом деформировании крепи и массива/ ТулПИ. — Тула, 1991. — 83 с.

85. Методика геологического обоснования при проектировании юрно-технологического комплекса средствами САПР-уголь. Отчет НИР №85-333/ ТулПИ.-Тула, 1985.-113 с.

86. Методы и средства решения задач горной геомеханики/ Г.Н.Кузнецов, К.А. Ардашев, Н.А. Филатов и др. — М.: Недра, 1987.- 248 с.

87. Миронова М.В. Оценка несущей способности шахтных крепей при нелинейном деформировании крепи и массива. — Дисс.канд.техн.наук.- Тула, 1991.- 197 с.

88. Нил Б.Г. Расчет конструкций с учетом пластических свойств материалов. М., Госстройиздат, 1961.

89. Моделирование проявлений горного давления/ Г.Н.Кузнецов, М.Н.Будько, Ю.И.Васильев, М.Ф.Шклярский, Г.Г.Юревич. Л.: Недра, 1968.

90. Назаренко Ю.Б., Крылов И.В. Основные направления повышения эффективности и надежности крепей при проектировании горных выработок. / Шахтное строительство. 1986. - № 7. - с. 11-18.

91. Назаренко Ю.Б., Крылов И.В. Дилатансионная упруго-пластическая модель описания запредельной работы приконтурной зоны массива.//Уголь. — 1988.—№12. — С. 12—14.

92. Назаренко Ю.Б., Крылов И.В. Установление закономерностей формирования горного давления вокруг выработок. //Уголь. — 1988. — №10. — С. 20 — 21.

93. Орлов А.А., Баранов С. Г., Мышляев Б. К. Крепление и управление кровлей в комплексно-механизированных очистных забоях. М.: недра, 1993. -284 с.

94. Орлов А.А., Ялышев Э.И. Методическое пособие по выбору, расчету и установлению оптимальных перекрытий механизированных крепей. МУ.П. Институт ВНИМИ. Л., 1969

95. Орлов В.В., Янчур A.M., Бабичев Н.С. Проведение и крепление горных выработок.- М.: Недра, 1965.- 496 с.

96. Очистные механизированные комплексы ОКИ / Д.М. Орехов, Г.Г. Буюв, В.В. Вельтищев и др. М., Недра, 1981.

97. Очистные механизированные комплексы ОКП 70/ В.И. Портянен-ко, 1В. Мозжухин, Н.И. Щербаков и др. -М., Недра, 1984. 168 с.

98. Попов В. Л., Казак Ю. Н., Степанов В. М. Статисшческие характеристики локальных математических моделей геометрии угольных пластов

99. Подмосковного бассейна. В кн.: Механизация горн, работ на угол, шахтах. Тула, 1975, с. 3-12.

100. Попов B.JI. Исследование взаимодействия механизированных крепей боковыми породами в условиях Подмосковного бассейна. Докторская дис-сер-ция, МГИ, 1966.

101. Попов B.JI. Исследование влияния горно-геологических факторов на «перечную устойчивость механизированных крепей. "Технология добычи угля подземным способом", 1967,№5.

102. Попов B.J1. Исследование конструктивных особенноеiей механизированных крепей и проявлений горного давления при их взаимодейавии с боковыми породами. В кн.: Исследование и совершенствование очистных комплексов и агрегатов. Тула, 1973, с. 180-234.

103. Попов B.JI., Клейменова Э.А., Каретникова Т.Е. Методика расчета механизированных крепей по обобщенной схеме с помощью ЭВМ.- В кн.: Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов. -Тула, 1975, С.66-69.

104. Попов B.JI. Технические требования на механизированные передвижения крепи для выемочных агрегатов и очистных комплексов применительно условиям Подмосковного бассейна. Тр. ПНИУИ, 1970, № 13, с. 27-35.

105. Попов B.JI., Цыплаков Б.В. Влияние наклона верхняка на распределение нагрузки по периметру механизированной крепи, ГМА, 1969.

106. Попов B.JI., Казак Ю. П., Степанов В. М. Об одном способе повышения качества управления движением очистных комплексов и агрегаюв. В кн.: Подземная разр. тонк. и средн. мощности уголь, пластов. Тула, 1978, С. 312.

107. Попов B.JI., Каретников В.Н., Еганов В.М. Расчет крепи подготовительных выработок на ЭВМ. М.: Недра, 1978. 230 с.

108. Попов B.JI., Клейменова Э.А., Каретникова Т.Е. Методика расчета механизированных крепей по обобщенной схеме с помощью ЭВМ.- В кн.: Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов. -Тула, 1975, С.66-69.

109. Попов B.J1., Степанов В.М. Выбор контролируемых управляемых параметров очистных комплексов при их движении в профиле угольного пласта. В кн.: Механизация горн, работ на угол. шахтах.Тула, 1979, с. 18-33.

110. Потапенко В.А. Разработка прогрессивных технологических схем отработки запасов пологих угольных пластов: Автореф. дис. д-ра техн. наук/ ПНИУИ. —М., 1991. —32 с.

111. Потапенко В.А., Цыплаков Б.В., Чендев Ф.С. Результаты внедрения САПР паспортов крепления выемочных штреков в ПО «Тулауголь». //Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов. Тула, ТулПИ. - 1990. - с. 97-104.

112. Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах.- М.: Недра, 1976,- 400 с.

113. Проведение и поддержание выработок в неустойчивых породах /Потапенко В.А., Казанский Ю.В., Цыплаков Е.В. и др. М.: Недра, 1990. - 336 с.

114. Протодьяконов М.М. Давление горных пород и рудничное крепление, ч.1 /Давление горных пород. — М.: ГНТИУ, 1930. — С. 68—93.

115. Прохоров Н.И. Прогнозирование величин смещения пород в выемочных штреках // Механика подземных сооружений. — Тула, 1982. — С. 62—65.

116. Разработка аналитического метода прогнозирования условий поддержания подготовительных выработок и САПР паспортов крепления: Отчет о НИР (промежут.)/ Тул. политехи, ин-т; Руководитель В.Н. Каретников. — N ГР 01860107774. —Тула, 1989.- 129 с.

117. Рекомендации по автоматизированному проектированию капитальных горных выработок. Л.: ВНИМИ, 1979. - 124.

118. Роза С.А Механика грунтов. -М., "Высшая школа", 1962.

119. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи. М.: Стройиздат, - 1983 - 144с.

120. Савин Г.Н. Распределение напряжений около отверстий. — Киев: Наукова думка, 1968. — 887 с.

121. Серегин Ю.И. Разведочная геостатика. В кн: Геология и разведка угольных месторождений. Тула, ТПИ, 1976 -С. 14-31.

122. Солод В.И., Зайцев В.И., Перов К.М. Горные машины и автоматизированные комплексы: Учебник для вузов. М.: Недра, 1981. - 503 с.

123. Сохранение и повторное использование подготовительных выработок, / В.А. Потапенко, А.В. Ремезов, Б.В. Цыплаков, Г.Н. Роут. Тула : «Гриф и К0», 1998- 142 с.

124. Справочник инженера-шахтостроителя. В 2-х томах. Том 1. Под общей ред. В.В.Белого. - М.: Недра, - 1988. - 439 с.

125. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Механика деформирования и разрушения горных пород. М.: Недра, 1992. — 224 с.

126. Степанов В. М. Основы анализа и построения пространственно-кинематических систем механизированных комплексов и агрегатов. В кн.: Механизация горных работ на угольных шахтах. Тула, 1982, С. 46-59.

127. Терцаги К. Теория механики грунтов. — М.: Гостройиздат, 1961. — 507 с.

128. Типовые паспорта рационального расположения, охраны и крепления горных выработок, поддерживаемых в слабых глинистых поро-дах/ВНИМИ, ПНИУИ.- Тула, 1982. — 50 с.

129. Турчанинов И.А., Иофис М.А., Каспарьян Э.В. Основы механики горных пород. JI.: Недра, 1989. -248 с.

130. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР. — J1.: ВНИМИ, 1986. — 175 с.

131. Феннер Р. Исследование горного давления. //Вопросы горного давления.— М.: Госгортехиздат, 1961. — С. 172— 177.

132. Фисенко Г.Л. Предельные состояния горных пород вокруг выработок. М.: Недра, 1976. — 272 с.

133. Фотиева Н.Н. Расчет обделок тоннелей некругового поперечного сечения. М.: Стройиздат, 1974. - 240 с.

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

135. Цимбаревич П.М. Механика горных пород.- М.: Углетехиздат, 1948.- 184 с.

136. Черняк И.Л., Бурчаков Ю.И. Управление горным давлением в подготовительных выработках глубоких шахт. М.: Недра, 1984. - 304 с.

137. Черняк И.Л. Применение гармонического анализа для исследований проявления горного давления в очистных забоях //Уголь. — 1989. №7. — С. 7—10.

138. Черняк И. Л. Повышение устойчивости подготовительных выработок. М.: Недра, 1993. - 256 с.

139. Шапошников В.И. Обоснование рациональных параметров крепи и поддержание повторно используемых штреков в условиях слабых боковых пород.— Дисс. канд. техн. наук — Тула, 1986.— 135 с.

140. Шейхет М.Н. Давление пучащих пород на крепь подземных выработок. — М.: Углетехиздат, 1955. — 125 с.

141. Шемякин Е.И., Фисенко Г.А., Курленя М.В. Зональная дезинтеграция горных пород вокруг подземных выработок. Часть 3// ФТПРГ1И, 1987.- № 1.С. 3—8.

142. Якоби О. Практика управления горным давлением. Пер. с нем. М.: Недра, 1987. —576 с.

Информация о работе

Копылов, Андрей Борисович
доктора технических наук
Тула, 2006
ВАК 25.00.22

Диссертация

Обоснование параметров крепления подготовительных и очистных выработок на основе комплексной оценки горно-геологических условий угольных месторождений - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы