Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование параметров механизированного крепления очистных забоев при отработке пологих угольных пластов

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Милехин, Юрий Викторович

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ГЕОТЕХНИЧЕСКИХ СИТУАЦИЙ И МЕТОДОВ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ СИСТЕМЫ "КРЕПЬ - МАССИВ"

ПРИ ВЕДЕНИИ ОЧИСТНЫХ РАБОТ.

1.1. Основные факторы, влияющие на обоснование параметров механизированного крепления очистных забоев.

1.1.1. Горно-геологические факторы.

1.1.2. Горнотехнические факторы.

1.2. Методы геомеханической оценки состояния вмещающих массивов вокруг очистных выработок.

1.2.1. Анализ основных гипотез горного давления.

1.2.2. Краткая характеристика численных методов расчета.

1.2.3. Методология моделирования проявлений горного давления на основе стержневой аппроксимации массива и крепи.

1.3. Методы расчета механизированных крепей очистных забоев.

1.3.1. Графоаналитический метод расчета.

1.3.2. Аналитические методы расчета.

1.3.3. Расчеты напряженно-деформированного состояния крепей на базе метода начальных параметров.

1.3.4. Основные параметры и компоновочные схемы крепей.

1.4. Цель, идея и задачи исследований.

1.5. Выводы по главе 1.

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ НАПРЯЖЕННО- ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КРЕПЕЙ ОЧИСТНЫХ ЗАБОЕВ.

2.1. Требования к модели расчета.

2.2. Обоснование расчетной схемы.

2.3. Уравнения силовых и кинематических факторов типовых элементов расчетной схемы.

2.4. Учет типов узлов соединения элементов крепи между собой.

2.5. Обобщенная модель напряженно-деформированного состояния

1фепей очистных забоев.

2.6. Учет граничных условий.

2.7. Выводы по главе 2.

3. МЕТОДИКА РАСЧЕТА И ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО

ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КРЕПЕЙ ОЧИСТНЫХ ЗАБОЕВ ЛЮБОЙ КОНФИГУРАЦИИ.

3.1. Обпще положения.

3.2. Алгоритм расчета напряженно-деформированного состояния крепей очистных забоев.

3.3. Назначение и состав программного обеспечения.

3.4. Подготовка исходных данных.

3.4.1. Основные задачи и отличительные особенности.

3.4.2. Разработка расчетной схемы.

3.4.3. Подготовка деформащюнных характеристик элементов расчетной схемы.

3.4.4. Задание внешних возмущающих факторов.

3.5. Ввод исходных данных.

3.6. Апробащм математической модели расчета крепей очистных забоев любой конфигуращш.

3.7. Исследование несущей способности элементов механизированной крепи "Караганда 500" при статическом нагружении.

3.8. Выводы по главе 3.

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ПРИ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЕ КРЕПИ И МАССИВА

ГОРНЫХ ПОРОД И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КРЕПЛЕНИЯ

ОЧИСТНЫХ ЗАБОЕВ.

4.1. Методика моделирования геомеханических процессов вокруг очистных выработок в системе "крепь - слоистый массив".

4.1.1. Разработка расчетной схемы системы крепь - слоистый массив".

4.1.2. Расчетная модель системы "крепь - слоистый массив".

4.1.3. Имитационное моделирование взаимодействия системы крепь - слоистый массив".

4.1.4. Методическое обеспечение моделирования системы крепь - слоистый массив".

4.2. Исследование работы основной кровли.

4.3. Моделирование геомеханических процессов при совместной работе механизированных крепей с массивом горных пород.

4.4. Методика автоматизированного проектирования параметров механизированного крепления очистных забоев.

4.5. Выводы по главе 4.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование параметров механизированного крепления очистных забоев при отработке пологих угольных пластов"

Одной ю главных задач угледобывающей отрасли остается проблема повышения эффективности добычи за счет создания новых или совершенствования уже известных технологий очистной выемки. Реализация данной задачи невозможна без решения целого комплекса проблем, связанных с обоснованием рациональных параметров технологий отработки выемочных участков и выбором высокопроизводительного оборудования, оперативно адаптирующегося к изменяющимся условиям. Анализ работы угольных шахт различного технического уровня показывает, что в настоящее время в России нагрузка на очистной забой составляет около 700 т/сут., что значительно ниже аналогичного показателя угледобывающих предприятий за рубежом. Существенное влияние на невысокие показатели добычи оказывает прогрессирующее вовлечение в отработку пластов с трудноуправляемыми кровлями, когда эффективность использования современных очистных комплексов снижается в два и более раз. Создания более совершенных методов обоснованного выбора параметров механизированного крепления очистных забоев требует и широкое разнообразие технологических схем, базируюпщхся на различных системах разработки.

Особую важность при этом приобретают вопросы количественной геомеханической оценки взаимодействия крепей с окружающим массивом пород. В современных условиях одним из основных методов исследований проявлений горного давлексия вокруг очистных выработок является многовариантное моделирование на ЭВМ при использовании универсальных расчетных моделей. Основная трудность, при этом, заключается в максимальном учете исходной информации, реально отражающей не только структуру, строение и физико-механические характеристики массивов, но и конструктивные особенности крепей. Решение этой задачи позволит получить результаты, имеющие высокую практическую ценность в различных геотехнологических ситуациях.

Крепи очистных выработок призваны обеспечить безопасные условия труда в забое и механизировать процессы управления кровлей и крепления. При этом конструкция крепи должна быть несложной в изготовлении, транспортабельной, удобной для обслуживания в период эксплуатации и надежной в работе. Сумма первоначальных затрат на изготовление, транспортировку и монтаж крепи и затрат на ее эксплуатацию за весь срок службы должна быть минимальной. Степень полноты удовлетворения крепью отмеченным требованиям во многом зависит от заложенных в нее параметров.

Основными выходными параметрами механизированной крепи, определяющими условия ее взаимодействия с кровлей, являются начальный распор, жесткость крепи до достижения номинального сопротивления, номинальное согфотивление, распределение начального распора и сопротивление крепи по пшрине хфизабойного пространства. Из всех указанных параметров крепи наиболее важным является сопротивление. Несоответствие сопротивления крепи проявлениям горного давления в лаве переводит процесс взаимодействия крепи с кровлей из управляемого в неуправляемый. Недостаточное сопротивление может привести к посадке крепи «нажестко» и даже полному завалу лавы. Более высокое, чем требуется, сопротивление приводит к раздавливанию пород на контактах с крепью, ее обыгрыванию и ухудшению условий труда в лаве. Величина сопротивления крепи положена в основу расчета ее конструктивных элементов и в связи с этим определяет ее массу и стоимость. Завышенное сопротивление крепи неизбежно приведет к утяжелению ее конструкции и повышению стоимости. Поэтому необходимо установить оптимальное сопротивление, обеспечивающее надежное поддержание кровли и управление ею при наименьших затратах средств на изготовление и эксплуатацию механизированных крепей.

Все это указывает на то, что исследования, направленные на изучение закономерностей геомеханических процессов и позволяюпще обосновывать па7 раметры механгоированного крепления очистных забоев при отработке пологих угольных пластов, являются актуальными.

Диссертационная работа вьшолнялась при поддержке РФФИ (проект №01-05-96011).

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Милехин, Юрий Викторович

7. Основные результаты исследований использованы в Методических рекомендациях по обоснованию параметров механизированного креплегшя очистных забоев при разработке пологих угольных пластов, принятых и утвер

162 моденных АО "Подмосковный НИУИ", а также в методиках расчета механизированных крепей и оценки геомеханических ситуаций, вошедших в научно-учебный комплекс кафедры горных технологий и механизации горных работ ТулГУ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненная диссертация является научным квалификационным трудом, в котором на основе разработанной расчетной модели совместной работы крепи и слоистого массива пород и установленных закономерностей изменения геомеханических процессов вокруг очистных выработок содержится новое решение актуальной задачи обоснования параметров механизированного крепления очистных забоев, обеспечивающих эффективную и безопасную отработку пологих угольных пластов в различных геотехнологических ситуациях.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Милехин, Юрий Викторович, Тула

1. Амусин Б.З., Фадеев A.B. Метод конечных элементов при решении задач горной геомеханики. М.: Недра, 1975.

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

3. Батурин А.Т. Детали машин. -М., Машгиз, 1958.

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

5. Бобылев A.n. Исследование проявлений горного давления в очистных забоях угольных шахт с целью разработки научных основ создания механизированных крепей при струговой выемке. Докторская диссертация, 1969.

6. Борисов A.A. Механика горных пород и массивов. М.: Недра, 1980.360 с.

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

8. Будник В.М., Грицаюк Б.И, Совершенствование очистных комплексов и исследование взаимодействия их с боковыми породами. Отчет по теме №1270, ПНИУИ, Новомосковск, 1970.

9. Будник В.М., и др. Взаимодействие крепи комплекса ЗМК с вмещающими породами. Уголь, №10, 1972.

10. 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.

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

12. Бурчаков A.C., Гринько Н.К., Ковальчук А.Б. Технология подземной разработки пластовых месторождений полезных ископаемых. М.: Недра, 1978.- 586 с.

13. Бурчаков A.C., Гринько Н.К., Черняк И.Л. Процессы подземных горных работ. Учебник для вузов. М.: Недра, 1982. - 423 с.

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

15. Бушцев Н.П., Филетов В.Г. Сравнительные исследования работы механизированных крепей М-87Д и МК-97. "Горные машины и автоматика", 1973, Хо5.

16. Бычков Д.В., Миронов М.О. Техническая механика Ч.1 Теоретическая механика, госстройиздат, -М., 1957 г.

17. Гидрофицированная крепь очистных работ / В.Н. Хорин, Н.П. Бушцев, СМ. Мамонтов, A.C. Архангельский. М., Недра, 1973.

18. 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.

19. Горное дело. Энциклопедический справочник. Т.1. М.: Углетехиздат,1957. -760 с.

20. Горное дело. Энциклопедический справочник. Т.5. М.: Углетехиздат,1958. -448 с.

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

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

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

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

25. Закутский И. А. Исследования сопротивления боковых пород вдавливанию крепи в очистных забоях. Сб. "Научно-исследовательские работы в угольной промышленности", №2, ЦИТИ, 1959.

26. Заславский Ю.З., Дружко Е.Б. Новые виды 1фепи горных выработок. -М.: Недра, 1989.-256 с.

27. Зенкевич О., Чанг И. Метод конечных элементов в теории сооружений и в механике сплопшых сред. М.: Недра, 1974. - 240 с.

28. Зиглин Л.А., Куракин А.И. Выбор типа механиз1фованной крепи для лав Подмосковного бассейна. Уголь, №5,1965.

29. Зиглин Л.А. Управление боковым наклоном секций механизированной крепи ОМКТ. "Технология и экономика угледобычи", 1996,№9,10.

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

31. Каретнжов В.Н., Клейменов В.В., Бреднев В.А. Автоматический расчет и конструирование металлических крепей подготовительных выработок. -М.: Недра, 1984.-312 с.

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

33. Каретников В.Н., Клейменова Э.А. Методические рекомендацш по расчету механизированных крепей на прочность и устойчивость с помощью ЭВМ. В кн.: Исследование и совершенствование очистных комплексов и агрегатов. -Тула, 1973, с. 261-301.

34. Каретникова Т.Б. Обеспечеиие прочности элементов мехагЕизирован-ных крепей на основе статико-кинематической модели предельных нагруже-ний: Дис.канд. техн. наук/ТулПИ.- Тула, 1984.- 206 с.

35. Каталог пологих пластов с тяжелыми кровлями в угольных бассейнах страны/ВНИМИ. Л., 1974. - 105 с.

36. Каталог типовых условий эксплуатации механизированных комплексов на пологонаклонных (до 35°) пластах.Л1асть II/ ВНИМИ. -Л., 1985. -342с.

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

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

39. Комиссаров СИ. Управление массивом горных пород вокруг очистных выработок. М.: Недра, 1983. - 237 с.

40. Коровкин Ю.А. Механизированные крепи очистных забоев/Под ред. Ю.Л.Худина. -М., Недра, 1990. 413 с.

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

42. Косков И.Г. Новые материалы и конструкции крепи горных выработок. М: Недра, 1987. - 196 с,

43. Краткий справочник горного инженера угольной щахты / Под общ. ред. А.С.Бурчакова и Ф.Ф.Кузюкова. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1982.-454 с.

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

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

46. Крепь самодвижущаяся камерная КСК. Руководство по эксплуатации КСК.ОО.00.000 РЭ. Новомосковск, ПНИУИ, 1996.

47. 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.

48. Курош А.Г. Курс высшей ажебры. -М.:Наука, 1971-432с.

49. Курс строительной механики. Под общ. ред. Б.Н. Жемочкина. М.: Госстройиздат, 1960.

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

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

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

53. Милехин Ю.В. Разработка математической модели расчета крепей очистных забоев с составной формой верхнего элемента// Подземная разработка тонких и средней мопщости угольных пластов: Сб. науч. трудов/ ТулГУ. -Тула, 4.2.-2001.-С. 155-166.

54. Милехин Ю.В. Реализация модели напряженно-деформированного состояния крепей коротких очистных забоев на ПЭВМ// На пороге третьего тысячелетия: Сб. научн. трудов/ ТулГУ. М. - Тула, - 2000. - С. 94-98.

55. Навитный A.M., Иофис М.А., Айруни А.Т. Опыт разработки угольных пластов под инженерными и природными объектами: Обзор/ ЦНИЭИуголь. -М., 1987.-37 с.

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

57. Очистные механизированные комплексы ОКП / Д.М. Орехов, Г.Г. Буров, В.В. Вельтищев и др. М., Недра, 1981.

58. Очистные механизированные комплексы ОЮП 70/ В.И. Портяненко, A.B. Мозжухин, Н.И. Щербаков и др. -М., Недра, 1984. 168 с.

59. Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисления: Учеб. для вузов. В 2-х т. Т2.М.: Наука, 1978.

60. Попов В. Л. Исследование взаимодействия механизированных крепей с боковыми породами в условиях Подмосковного бассейна. Докторская диссертация, МГИ, 1966.

61. Попов В.Л. Исследование влияния горно-геологических факторов на поперечную устойчивость механизированных крепей. "Технология добычи угля подземным способом", 1967,№5.

62. Попов В. Л. Исследование конструктивных особенностей механизированных крепей и проявлений горного давления при их взаимодействии с боковыми породами. В кн.: Исследование и совершенствование очистных комплексов и агрегатов. Тула, 1973, с. 180-234.

63. Попов В.Л., Каретников В.Н., Еганов В.М. Расчет крепи подготовительных выработок на ЭВМ. М.: Недра, 1978. 230 с.

64. Попов В.Л., 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.

65. Попов В.Л. Технические требования на механизированнью передвижения крепи для выемочных агрегатов и очистных комплексов применительно к условиям Подмосковного бассейна. Тр. ПНИУИ, 1970, f 13, с. 27-35.

66. Попов В.Л., Цыплаков Б.В. Влияние наклона верхняка на распределение нагрузки по периметру механизированной крепи, ГМА, 1969.

67. Прагер В., Ходж Ф. Теория идеально пластических тел. -М., Изд-во иностр. Лит., 1956.

68. Разработка программ для моделирования на ПЭВМ НДС с геомеханических систем методом стержневой аппроксимации слоистого массива пород икрепи. Отчет о НИР Яул. полит.ин-т (ТулПИ); Руководитель Каретников В.Н. -Тема№36-103.Тула, 1991.-153 с.

69. Разработка угольных месторождений короткими очистными забоями/ А.П.Судоплатов, В.Ф.Парусимов, Л.Н.Гапанович и др.- М.Тосгортехиздат, 1962.- 304 с.

70. Ржаницын А.Р. Строительная механика: Учебное пособие. М.: Высш. шк., 1991.-439 с.

71. Роза CA Механика грунтов. -М., "Высшая школа", 1962.

72. РТМ 24.007.01. Крепи механизированные. Перекрытия и основания. Расчет на прочность. Методика. -М., Гипроуглемаш, 1971.

73. Сарьгчев В.И. Геомеханическое обоснование параметров систем разработки короткими забоями пологих угольных пластов средней мощности: Дис. док. техн. наук/ТулГУ. Тула, 2000. - 275 с.

74. Сарычев В.И. Геомеханическое обоснование параметров систем разработки короткими забоями пологих угольных пластов средней мощности в слабых вмещающих породах: Дис.канд. техн. наук/ТулГТУ. Тула, 1995. -215 с.

75. Сарычев В.И. О влиянии всестороннего обжатия породных слоев на характер деформирования неоднородного массива// Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов/ ТулПИ. -Тула, 1992. с. 77-82.

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

77. Сохранение и повторное использование подготовительных выработок / В.А.Потапенко, А.В.Ремезов, Б.В.Цыплаков, Г.Н.Роут. Тула: Гриф и К°, 1998. - 142 с.

78. Справочник машиностроителя. Т.З. Под ред. СВ. Серенсена. М., Машиностроение", 1964.

79. Стрелецкий Н.С. Прочность стальных предварительно-напряженных балок. "Промыпшенное строительство", 1961, №2.

80. Технология разработки пластовых месторождений. Под общей ред. проф. A.A. Борисова. -М.: Недра, 1977.

81. Туляков СП. Разработка экспериментально-аналитического метода автоматизированного проектирования паспортов крехшения выемочных штреков: Дис.канд. техн. наук / ТулПИ. Тула, 1991. - 153 с.

82. Туров A.n., Фомин Г.К. и др. Промышленные испытания механизированной крепи МК-97. "Технология добычи угля подземным способом", 1971, №4.

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

84. Угледобывающий комплекс КМ 87 ДН / Я.С Брук, В.И. Парамонов, A.B. Керов и др. М., Недра, 1975.

85. Угольная промышленность США // Уголь. 1993. - №5. - с. 36-41.

86. Федосьев В.И. Сопротивление материалов. -М.: Наука, 1979.-560 с.

87. Харитонов Н.И. Железобетонные основания для механизированных крепей типа МК. "Горная механика, машины и автоматика ", 1970. №2.

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

89. Черняк И.Л., Бурчаков Ю.И. Управление горным давлением в подготовительных выработках глубоких шахт. М.: Недра, 1984. - 304 с.171

90. Чирас A.A. Строительная механика: Теории и алгоритмы: Учеб. для вузов. -М.: Стройиздат, 1989. -255с.

91. Ягодкин Г.И., Кузьмин В.М. Вероятностная оценка контактного взаимодействия механизированных крепей с кровлей. -М., Институт горного дела им. A.A. Скочинского, 1970.

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

93. Яцких В.Г., Спектор Л.А., Кучерявый А.Г. Горные машины и комплексы. -М., Недра, 1984.172