Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование способов обеспечения устойчивости подготовительных выработок в сложных горно-геологических условиях

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Обоснование способов обеспечения устойчивости подготовительных выработок в сложных горно-геологических условиях"

На правах рукописи

КОМПАНЕИЦЕВ Андрей Юрьевич

ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК В СЛОЖНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Специальности- 25,00.20 «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

25.00.22 «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула - 2005

Работа выполнена в Шахтинском институте Южно-Российского государственного технического университета (НПИ).

Научные руководители:

- доктор технических наук, профессор Ткачев Валерий Александрович

- доктор технических наук, доцент Страданченко Сергей Георгиевич

Официальные оппоненты:

-доктор технических наук, доцент Сарычев Владимир Иванович

- кандидат технических наук Цыплаков Борис Васильевич

Ведущее предприятие - закрытое акционерное общество «Объединенная шах-тостроительная компания «СОЮЗСПЕЦСТРОЙ»

Зашита диссертации состоится ^ . // .2005 г. в часов на засе-

дании диссертационного совета Д 212 271 04 при Тульском государственном университете по адресу 300600, г Тула. пр. Ленина, 92, ТулГУ, учебный корпус £., аудитория 3"//.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ТулГУ (г Тула, пр. Ленина, 92).

Автореферат разослан « & » *_2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

Пискунов О.М

Щб-к

з

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Опьи строительства и эксплуатации шахт в Донбассе показывает, чго более 15 % горных выработок проводят и поддерживают в сложных условиях, обусловленных наличием геологических нарушений (примерно 80 % таких выработок приходится на пластовые) Нарушенность шахтопла-сгов возрастает в направлении с запада (Новомосковский угленосный район) на восток (Гуково-Зверевский угленосный район), при этом протяженность выра-боюк, поддерживаемых в зонах геологических нарушений, изменяется с 8 % (ПО "11авлограду1 оль") до 22 % (ОАО "Гуковуголь").

Восточные угленосные районы Донбасса характеризуются многообразием видов геологических нарушений. Наибольшее распространение геологических нарушений отмечается в Гуково-Зверевском районе, занимающем одно из ведущих мест в бассейне по добыче антрацитов.

Характерными нарушениями являются надвиги, сбросы, взбросы, флексур-ныс складки, размывы, раздувы, пережимы, расщепления и перегибы пласта. Следует отметить, чго встречаются сочетания геологических нарушений разных видов Так, например, разрывным нарушениям часто сопутствуют флексурные складки, а размывам - пережимы, раздувы и расщепления пласта Из общего объема геологических нарушений наиболее значительными являются разрывные нарушения

Изучение опыта ведения горных работ на шахтах показывает, что около 90 % всех аварийных ситуаций возникает в вырабожах, пересекающих зоны разрывных тектонических нарушений. В связи с чем, за период 1992 -г 1997 гг на шахтах ОАО «Ростовутоль» зафиксировано 26 завалов в выемочных штреках, приведших к остановке работ. За время простоев не добыто 112506 т угля В зонах влияния геологических нарушений огмсчается увеличение затрат на проведение и ремонт выработок в 1,5-2,5 раза, что обусловлено, I лавным образом; значительными вывалообразованиями с высотой до 4 м в забойной части выработки, связанными с интенсивной трещиноватостью породного массива.

В условиях разрывных нарушений поддерживается примерно 50 % горных выработок, в том числе 68 % пластовых, пройденных в геологических нарушениях, а удельный вес разрывных нарушений в затратах на ремонт достигает 70 % Таким образом, научные исследования, направленные на обоснование способов обеспечения устойчивости подготовительных выработок в зонах дизъюнктивных геологических нарушений актуальны

Диссертационная работа посвящена разработке способов и средств охраны и крепления подготовительных выработок, пораженных дизъюнктивными геологическими нарушениями и непосредственно связана с тематикой НИОКР Шахтинского института ЮРГТУ: «Разработать средс1ва и способы охраны и крепления горных выработок и обеспечение безопасности труда на горных предприятиях».

Цель работы - геомеханическое обоснование способов обеспечения устойчивости подготовительных выработок в зонах дизъюнктивных гсологиче-

ских нарушений, и разработка методики расчета параметров крепления и способов охраны выработок, позволяющих обеспечить их безремонтное поддержание в течение всего срока эксплуатации.

Идея работы заключается в комплексном подходе к решению задач выбора способов крепления и поддержания подготовительных выработок в зоне влияния дизъюнктивных геологических нарушений на основе изучения геомеханических зависимостей состояния горных массивов и действия крепей с учетом влияния на работу очистных забоев.

Методы исследования. При выполнении работы использован комплексный меюд исследований, включающий методы матемашческой статистики и теории вероятностей, корреляционный и регрессионный анализ, анали-т ические исследования напряженно-деформированного состояния и устойчивости боковых пород в сложных горно-геологических условиях, шах шые инструментальные наблюдения, применение современных методов компьютерного моделирования породного массива, находящегося под влиянием очистных работ и геоло1 ических факторов, осложняющих условия поддержания подготовительных выработок, разработку новых методов расчета параметров крепления и охраны выработок и их технико-экономическое обоснование.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

- получены аналитические зависимости конвергенции выработки в зоне влияния дизьюнктивных геологических нарушений, от параметров разрыва и горно-геологических условий эксплуатации выработки, учи1ывающие влияние очистных работ;

- выявлено, что на протяженность зоны влияния дизъюнктивного нарушения и на высоту распространения зоны неупругих деформаций (ЗНД) пород кровли оказывают влияние угол падения сместителя разрывного нарушения, угол встречи забоя выработки с плоскостью простирания смесгителя, глубина расположения выработки и механические свойства вмещающих пород, чго позволяет учесть эти факторы при расчете параметров крепления и способов охраны подготовительных выработок на участках пересечения дизъюнктивных геологических нарушений;

- получены аналитические зависимости, позволяющие определить протяженность зоны влияния дизъюнктивных нарушений и высоту распространения зоны неупругих деформаций;

- на основе полученных зависимостей и научных положений разработана методика расчета оптимальных технологических параметров крепления и охраны подготовительных выработок, пораженных дизъюнктивными нарушениями, отличающаяся от ранее известных методик использованием вариантного проецирования на ЭВМ с применением комплексной экономической оценки эффективности разработанных научных положений.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций под1вер-ждается точностью (погрешность не превышает 12 %) удовлетворения гранич-

:

ных условий задач, решение которых положено в основу разработанной методики pacieia: статистическим анализом данных с использованием апробированных программных средств; корректностью постановки задач; использованием современных методов анализа и математического моделирования; инженерно-техническими проработками и проектными решениями.

Научное и практическое значение:

- выявление факторов, влияющих на выбор параметров крепи и охраны подготовительных выработок в зоне влияния дизъюнктивных геологических нарушений;

- разработ ка методики расчета технологических параметров крепи и охраны подготовительных выработок в зоне влияния дизъюнктивных геологических нарушений;

- разрабо1ка компьютерной программы расчета технологических параметров крепи и охраны под! отовительных выработок на основе предложенной методики.

Реализация результатов работы. Основные результаты исследований приняты к внедрению при проектировании параметров крепи и способов охраны подготовительных выработок на участках пересечения дизъюнктивных нарушений на шахтах ОАО «Донуголь» и ОАО «Гуковуголь» Донецкого угольного бассейна При использовании параметров крепи и охраны по предлагаемой методике, сумма годовой прибыли возрастает на 4,62 руб/т добытого угля, в ценах 1995 г.

Апробация работы. Основные положения работы обсуждены и одобрены на LU, LII1 и LIV научных конференциях ШИ ЮРГТУ(НПИ) (г. Шахты, 2003 - 2005 i г.), заседаниях технических советов ОАО «Ростовшахтострой» (г. ILIaxibi, 2004 - 2005 гг.), ОАО «Кузниишахтострой» (г Кемерово, 2005 г), ОАО «Донуголь» (i. Шахты, 2003 - 2005 гг ) и института "Ростовгипрошахт" (г. Ростов-на-Дону, 2005 г ), научных семинарах кафедры подземное, промышленное и гражданское строительство и строительные материалы ШИ ЮРГТУ (НПИ) (г. Шахты, 2004 - 2005 гг.).

Публикации. 11о теме диссертации опубликовано 8 работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяш глав и заключения, изложенных на 160 страницах машинописного 1екста, содержит 41 рисунок, 32 таблицы, список использованной литературы из 86 наименований и 7 приложений, включающих основные результаты исследований и справочные данные.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Проектные решения по выбору средств и способов обеспечения устойчивости подготовительных выработок принимаются на основании критериев устойчивости. Критерии устойчивости позволяют оценить условия подле ржа-

ния выработок, спрогнозировав поведение приконтурного массива пород и своевременно принять меры по предупреждению и устранению негативных последствий проявлений горного давления Большое значение имеет методика расчета критериев устойчивости, которая должна отражать воздействие мною-образия ieojioiических и технологических факторов и учитывать последствия их совместного воздействия. Значительный вклад в изучение проблемы устойчивости подготовительных выработок внесли работы авторов Ануфриева В П., Баклашова И.В., Бич Я.А., Бородина P.A., Булычева Н.С., Газизова М.С., Друж-ко Е Б, Заславскою Ю-3., Карюзия Б А, Каретникова В.Н., Кошелева К.В , Мельникова О.И., Муратова H.A., Новикова А О , Петренко Ю.А., Перепичка Ф.И., Потапенко В.А., Райского В В., Рева В Н., Сарычева В И., Савина И.И , Станкуса В.М , Ткачева В. А., Цыплакова Б В и других.

Однако в результате проведенного анализа существующих методик оценки условий поддержания выработок установлено, что к настоящему времени вопрос выбора способов и средств обеспечения устойчивости нодготови-■ ельных выработок в зонах влияния дизъюнктивных геологических нарушений решен не полностью, методические положения оценки условий поддержания подготовительных выработок не учитывают основные геометрические параметры разрывных геологических нарушений и влияние очистных работ. На данный момент проектирование способов и средств обеспечения устойчивости подготовительных выработок в зонах влияния дизъюнктивных геологических нарушений осуществляется на основании мониторинга, методом аналогий со схожими условиями, и производственного опыта. В настоящее время отсутствует нормативный документ, устанавливающий технологические параметры крепи и охраны подготовительных выработок, пораженных дизъюнктивными геологическими нарушениями.

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

• анализ изменения геомеханического состояния массива горных пород вокруг подготовительных выработок Российского Донбасса в зоне влияния дизъюнктивных геологических нарушений;

• изучение механизма конвергенции вмещающих пород подготовительных горных выработок в зоне влияния дизъюнктивных геологических нарушений с помощью производственных и экспериментальных исследований и определение степени влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на устойчивость выработок;

• проведение методами математического моделирования геомеханических исследований напряженно-деформированного состояния массива горных пород в зоне дизъюнктивных геологических нарушений;

• разработка методики расчета технологических параметров крепления и охраны подготовительных выработок в зоне влияния дизъюнктивных геологических нарушений;

• определение экономической целесообразности применения разрабо-

тайной методики расчета при проектировании крепи и средств охраны подготовительных выработок на шахтах Российского Донбасса.

Для изучения механизма конвергенции вмещающих пород в окрестности выемочных штреков в зоне нарушений и определения оепени влияния основных горно-геологических и горнотехнических факторов на их устойчивость были проведены шахтные исследования. Экспериментальные участки охватили диапазон горночеологических и горнотехнических условий наиболее характерных для антрацитовых месторождений Российского Донбасса.

Всего к обработке были приняты материалы экспериментальных исследований, проведенных в 38 выемочных выработках. К анализу также были приняты исследования проявлений горного давления в выемочных штреках, проведенные ранее ООО «ЦСЭМ ВД».

Методика проведения шахтных исследований предусматривает получение данных о величине и характере смещений пород кровли и почвы выработок в зависимости от расстояния до очистного забоя, величине податливости и несущей способности крепи. Для peí истрации проявлений горного давления в выемочных шгреках устанавливались наблюдательные станции средней сложности по классификации ВНИМИ. Наблюдательные станции устанавливались на участке выработки, расположенном в зоне влияния разрывного тектонического нарушения. На каждое нарушение были установлены по две наблюдательные станции, расположенные на расстоянии 1 -f 5 м от плоскости сместителя. Измерения производились единым комплексом в одно и тоже время на обеих замерных станциях данной выработки После снятия отсчетов данные замеров заносились в журнал наблюдений и фиксировалось положение замерных станций относительно забоя лавы.

Для получения данных о характере и величине конвергенции вмещающих пород в выемочных штреках 1акже был применен специальный экспресс метод.

Динамика изменения i еомеханической обстановки вокруг выработок, пораженных дизъюнктивными нарушениями, в зоне влияния опорного давления лавы была представлена в виде графиков конвергенции вмещающих пород и интенсивности смещений контура выработки.

В связи с тем, что на устойчивость вмещающих пород выемочного штрека в зоне влияния разрывного дизъюнктивного нарушения и опорного давления очистного забоя совместно влияет значительное число факторов, в качестве математического аппарата исследования был принят метод множественной корреляции.

В качестве фактора функции принята конвергенция выемочного штрека (У = Umax) после прохода очистного забоя и наступления периода стабилизации, 1ак как податливость крепи выемочного штрека определяется этим фактором. Основными факторами - аргументами, влияющими на конечную величину конвергенции, были приняты- Xt = I - пролёт выемочного штрека в проходке, м;

Хг = т - вынимаемая мощность пласта, м; Л3 = ^— - критерии устойчивости

пород кровли; Х4 = Ь - ширина угольного целика или бутовой полосы (м), или количество рядов железобетонных тумб или бутокостров, штук; Х$ = А - амплитуда разрывного нарушения, м; Х6 = Р - угол встречи выработкой (линией очистного забоя) плоскости простирания дизъюнктивного нарушения, град ; X, ~ <р - угол падения плоскости сместителя, град.; ЛГ8 = £ - расстояние от лавы, м.

Так как на устойчивость выемочных штреков большое влияние оказывает способ их охраны от воздействия очистных работ, результаты шахтных исследований сначала были разделены на группы с одинаковыми способами охраны выемочных штреков, а затем обработаны на ЭВМ при помощи специальной программы множественной корреляции.

Анализировалась модель вида:

У = *. + Ъ«-Лх.), (1)

Ы1

где /(*,) = [дс; X2; х3-, -; ек-; /я (*); л/дс | .

X X

Вид функций, входящих в уравнение ( 1 ), находился путем логического анализа результатов экспериментальных исследований, а также литературных данных о характере влияния рассматриваемых факторов в других угольных бассейнах, затем из ряда выражений, полученных в результате математической обработки при различных сочетаниях видов функций влияющих факторов, выбиралась наиболее адекватная зависимость. Для каждого из вариантов были получены: средние значения факторов; среднеквадратичное отклонение факторов; матрица парных корреляционных отношений по приведенным функциям; множественное корреляционное отношение (Л) и коэффициенты уравнений регрессии в стандартизированном масштабе.

Значимость полученных зависимостей оценивалось при помощи критерия Фишера (/■■).

Были получены следующие корреляционные зависимости для прогноза конвергенции в выемочных штреках с различными способами охраны:

целик - массив угля итах = 0,086 • / г + 48,48 ■ т 2 +4567--^ - 27,6 • Ь 2 + 81,41-75 +

+ 27~ + + 40,94 • 1п(Ь) - 1150, мм (2)

р <р

Я = 0,9; /г = 6,1; / = 12,2;

бутовая полоса - массив угля

итах = 4,58 •/'- — + 4624 • ^ - 30,5 • Ь + 56,83 • +

о,« Р

+ 626, мм (3)

р £

= 0,78; 7*" = 6,4;

бутокостры - массив угля итах = 12,6 • /2 + 28,63 • т 2 +699,8 • ) - 146 • Ь + 52,98- ША) -

о.«

- 0,142 ■ р2 - 45,1 • ^ + 70,07 • 1п(Ц + 2570, мм (4)

Я = 0,79; Г =3,3; ( = 6,7;

железобетонные тумбы - массив угля итах = 0,921 • 12 + 47,24 • т 2 +4510^ - 381 • Ъ + 29,32- 1п(А) -

- 0,0914 • Р1 - 100 • + 60,84 • /и(£) + 996,9, мм (5)

Д = 0,9;/'=5,1;*= 10,4;

Исходя из приведенных выше критериев оценки, можно сделать вывод о том, что полученные многофакторные корреляционные зависимости 2 - 5 могут быть применены с достаточной точностью и надежностью для определения конвергенции вмещающих пород в выемочных штреках в зоне влияния дизъюнктивных нарушений и очистных работ.

Для определения степени влияния каждого фактора - аргумента на изменения фактора функции были построены графики уравнений чистой регрессии, которые показали, что фактор аргументы по своей значимости в каждом способе охраны различны. Это необходимо учитывать при выборе способа охраны горной выработки.

Таким образом, в результате проведенных шахтных исследований в подготовительных выработках ОАО «Ростовуголь» и ОАО «Гуковуголь» был проанализирован один из видов сложных горно-геологических условий, такой как дизъюнктивные геологические нарушения и установлены математические корреляционные зависимости, позволяющие вычислить ожидаемую конвергенцию подготовительных выработок в зоне влияния разрывных нарушений. Используя выражения 2-5 можно подобрать способ охраны и параметры охранных конструкций для обеспечения требуемой ПБ максимальной конвергенции пород в течение всего срока эксплуатации подготовительной выработки.

Шахтными исследованиями затруднено выявление напряженно-деформированного состояния пород вокруг горных выработок, поэтому для исследования напряженно-деформированного состояния пород кровли подготовительных выработок и выявления причин резкою увеличения нагрузки на горную крепь в зоне влияния дизъюнктивных нарушений, а также для определения протяженности этой зоны применен самый популярный среди численных методов решения задач - метод конечных элементов В качестве математическою аппарата использована современная система инженерных расчетов Cosmos Design Star 3.0, позволяющая сочетать трехмерные возможности и наглядную пространственную визуализацию результатов расчета.

В расчетах использованы реальные горно-геологические условия отработки пласта i'2 «Степановский». Из массива выделен участок с размерами 60 * 60 * 40 м, включающий подготовительную выработку и выработанное пространство лавы. Глубина расположения участка массива 756 м. Подготовительная выработка (штрек), пройденная по пласту угля мощностью один метр с нижней подрывкой, имеет ширину 3,8 м, высоту 2,8 м. Способ охраны - целики угля шириной 5 м. Штрек пересекает сброс с амплитудой 0,2 м Исследуемая модель массива горных пород, вмещающего подготовительную выработку, состоит их 42 блоков, включающих породные слои, разделенные разрывным нарушением на лежачее и висячее крыло сброса; охранные целики, и зоны структурного ослабления пород, примыкающих к плоскости смесгителя разрыва. В результат разбивки модели на конечные элементы получилось 193 317 элементов массива тетраэдрической формы и 276 232 узла, расположенных в вершинах каждого тетраэдра.

В зоне обрушения горных пород (в выработанном пространстве) для моделировании эффекта подбучивания обрушенной кровли, к нижней поверхности кровли приложена нагрузка подпора, равная 20 % от вертикальной Для моделирования рамной крепи выработки к кровле штрека приложена нагрузка, равная несущей способности рамной податливой крепи с шагом рам 1 м, которая составляет 3,7104 Н/м" Для моделирования разрыва по плоскости смести-теля использовано условие на контакте пород висячего и лежачего крыльев нарушения, разрывающее сплошность породного массива.

Объемная задача решалась в упругой постановке. Проведено две серии расчетов

В первой серии расчетов исследовалось влияние угла падения сместите -ля разрывного нарушения на напряженно-деформированное состояние массива горных пород. Для этого анализировались несколько моделей с различным углом падения сместителя разрывного нарушения (tp = 45° - 85°) при неизменном угле встречи выработкой плоскости сместителя (ft — 38°)

Во второй серии исследовалось влияние угла встречи выработкой плоскости сместителя разрывного нарушения (ft — 31° - 43") при неизменном угле падения сместителя (<р = 85°).

После машинного счета на экран выводится цветная карта изохром распределения напряжений в массиве исследуемой модели. Наиболее показательными сечениями модели являются поперечные сечения выработки на различном расстоянии от плоскости сместителя в висячем и лежачем крыльях разрывного нарушения, поэтому для построения диаграмм напряжений и анализа зон разрушения пород на печать для каждой из моделей выводились иэохромы распределения напряжений ах и ау в поперечных сечениях выработки на следующих расстояниях до плоскости сместителя'-20 м, -15 м,-10 м,-5 м.-2 м, 0 м, +2 м, +5 м, +10 м, +15 м, +20 м„

Задавшись критерием прочности породного массива, построены зоны возможного обрушения пород (зоны неупругих деформаций пород) на различных расстояниях от разрывного нарушения В данном случае наиболее корректно предельное состояние материала описывает критерий напряжения Мора-Колумба, основанный на теории Мора-Колумба также известной, как теория внутреннего трения Согласно этой теории разрушение материала происходит, когда компоненты основных напряжений <т/ и <т, превышают пределы прочности материала на растяжение и сжатие.

После машинного счета на печать выводятся поперечные сечения выработки с обозначением границ зон запредельного напряженного состояния (зоны неупругих деформаций - ЗНД) для каждой из шести моделей.

По данным поперечных сечений на расстояниях -15 м, -10 м, -5 м, -2 м, О м, +2 м. +5 м. +10 м, +15 м от плоскости сместителя получены диаграммы распределения зон неупругих деформаций пород кровли по длине выработки для всех типов моделей первой и второй серии расчетов Диаграммы представлены на рис. 1.

Анализ диаграмм распределения зон разрушения пород кровли по длине выработки (рис. 1, а) показывает, что на протяжении исследуемого участка высота ЗНД пород кровли на всех моделях возрастает при подходе к разрывному нарушению, как в висячем, так и в лежачем боку разрывного нарушения. Высота ЗНД начинает нарастать на удалении 8.0 + 13.0 м (2 ~ 3,5 пролета выработки) от сместителя в висячем боку, и на удалении 2,0 + 4,0 м (0,5 ~ 1 пролет выработки) в лежачем.

В нормативной документации ВНИМИ для учета зоны влияния дизъюнктивных разрывных нарушений рекомендуется снижать прочность пород на 40 - 70 % на расстоянии от 1 до 4 амплитуд нарушения до плоскости сместителя На основания данного указания для исследуемой нами модели зона влияния геологического нарушения амплитудой 0,2 м должна быть 0,2 м х 4 = 0,8 м Но это на порядок меньше результатов полученных нами при моделировании реальных горно-геологических условий эксплуатации подготовительной выработки. Возможно это послужило причиной завалов горных выработок на шахтах «Майская», «Восточная», «Самбековская» и др в местах пересечения мелкоамплитудных разрывных нарушений, о чем свидетельствуют статистические данные за 5 лет.

а

5

со

висячее крыло сброса

о ии

4.00

1 00

0,00

Лежачее крыло сброса

-16,00 -14,00 -12,00 -10,00 -8,00 -6,00 -4,00 -2,00 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 —♦— Модель 1 —Модель 2 —*— Модель 3 Расстояние до плоскости сместителя, м

—•— Модель 1 —«— Модель 2 -•— Модель 3

Висячее крыло сброса

3,00

1,00 0 50 0 00

Лежачее крыло сброса

-14,00 -12,00 -10,00 -8,00 -6,00 -4,00 -2,00

- Модель 4

- Модель 4

- Модель 5

- Модель 5

- Модель 6

- Модель 6

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 Расстояние до плоскости сместителя, м

Рис. 1. Диаграммы распределения зоны неупругих деформаций пород кровли по длине выработки:

а - первая серия расчетов б - вторая серия расчетов

Для определения протяженности зоны влияния разрывных нарушений автором заданы границы, в пределах которых происходит резкое изменение геомеханической обстановки в кровле выработки. Такой границей принято увеличение высоты зоны неупругих деформаций пород кровли на 15 %.

Исследования показали, что в первой серии расчетов, в соответствии с диаграммой распределения ЗНД пород кровли подготовительной выработки (рис. 1, а), в висячем крыле сброса при увеличении угла падения сместителя с 45° до 72° зона влияния нарушения уменьшается с И ,0 м до 8,5 м. При увеличении угла с 72° до 85° зона уменьшается с 8,5 м до 6,5 м. В лежачем крыле сброса при увеличении угла падения сместителя с 45° до 72° зона влияния на-

рушения уменьшается с 3,5 м до 2,5 м, а при увеличении угла с 72° до 85° зона уменьшается с 2,5 м до 1,3 м. Таким образом, увеличение угла падения смести-теля на 40° влечет сокращение зоны влияния нарушения на 41 % в висячем крыле и на 63 % - в лежачем.

Во второй серии расчетов, в соответствии с диаграммой распределения зоны неупругих деформаций пород кровли подготовительной выработки (рис. 1, б), в висячем крыле сброса при увеличении угла встречи забоя выработки с плоскостью простирания сместителя с 31° до 43° зона влияния нарушения увеличивается с 7,5 м до 11,0 м В лежачем крыле сброса при увеличении угла встречи забоя выработки с плоскостью простирания сместителя с 31° до 43° зона влияния нарушения увеличивается с 1,1 м до 2,0 м Таким образом, увеличение угла встречи забоя выработки с плоскостью простирания сместителя на 12° влечет увеличение зоны влияния нарушения на 32 % в висячем крыле и на 45 % - в лежачем.

Шахтные исследования в подготовительных выработках, проведенных на шахтах Российского Донбасса, показали что значительное влияние на конвергенции пород в зоне дизъюнктивных геологических нарушений оказывает глубина расположения выработки и механические свойства вмещающих пород. Значительная степень влияния этих факторов отражается на графиках уравнения чистой регрессии. Для учета этих факторов при определении зоны влияния разрывного нарушения были проведены исследования на компьютерной модели, со средними значениями параметров дизъюнктивного нарушения. При моделировании механические свойства пород регулировались величиной модуля упругости пород (Е ГПа). Глубина расположения выработки регулировалась за счет изменения вертикального давления на верхнюю грань исследуемой модели (Q„, МП а). Первая серия расчетов проводилась с изменением модуля упругости пород кровли при неизменной глубине расположения. Диапазон изменения модуля упругости пород кровли составил 10 - 100 ГПа с интервалом 5 ГПа. Вторая серия расчетов производилась с изменением глубины расположения выработки при неизменном модуле упругости кровли Диапазон изменения глубины расположения составил 300 - 850 м с интервалом 50 м.

После машинного счета на печать выводились поперечные сечения выработки с обозначением границ зон запредельного многоосного напряженного состояния (ЗНД) для каждой из серии расчетов.

По данным поперечных сечений на расстояниях -15 м, -10 м, -5 м, -2 м, 0 м, +2 м, +5 м, +10 м, +15 м от плоскости сместителя получены диаграммы распределения зон неупругих деформаций пород кровли по длине выработки для первой и второй серии расчетов. Диаграммы представлены на рис. 2.

В первой серии расчетов, в соответствии с диаграммой распределения высоты зоны неупругих деформаций пород кровли подготовительной выработки (рис. 2, а), в висячем крыле сброса при увеличении модуля упругости пород кровли с 20 ГПа до 60 ГПа зона влияния нарушения уменьшается с 7,0 м до 5,5 м.

3,00

0,00

-14,00 -12,00 -10,00 -8,00 -6,00 -4,00 -2,00 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00

Расстояние до плоскости сместителя, м

Модуль упругости пород, —»-20 -■— 40 —Ж— 60 —в—80 —А- 100

ч

X

3,00-

Висячее крыло I Лежачее крыло

сброса ВЬДК сброса

0,00

-14,00 -12,00 -10,00 -8,00 -6,00 -4,00 -2,00 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00

Расстояние до плоскости сместителя, м

-ь- 300 - 400 —•—500

Глубина расположения выработки,м „ —д^уод , дрд

Рис. 2. Диаграммы распределения высоты зоны неупругих деформаций пород кровли по длине выработки:

а - первая серия расчетов, 6 - вторая серия расчетов

При увеличении модуля упругости пород кровли с 60 ГПа до 100 ГПа зона уменьшается с 5,5 м до 4,5 м. В лежачем крыле сброса при увеличении модуля упругости пород кровли с 20 ГПа до 60 ГПа зона влияния нарушения уменьшается с 1,5 м до 1,2 м. При увеличении модуля упругости пород кровли с 60 ГПа до 100 ГПа зона влияния нарушения уменьшается не значительно с 1,2 м до 1,1 м Таким образом, исследования показали, что увеличение модуля упругости пород в 5 раз влечет сокращение зоны влияния нарушения на 36 % в висячем крыле сброса и на 26 % - в лежачем.

Во второй серии расчетов, в соответствии с диаграммой распределения

высоты зоны неупругих деформаций пород кровли подготовительной выработки (рис 2, б) в висячем крыле сброса с увеличением глубины расположения выработки с 300 м до 800 м зона влияния нарушения увеличивается с 5,5 м до 7,2 м В лежачем крыле сброса с увеличением глубины расположения выработки с 300 м до 800 м зона влияния нарушения увеличивается с 1,1 м до 1,3 м. Таким образом, увеличение глубины расположения выработки в 2,5 раза влечет увеличение протяженности зоны влияния нарушения на 24 % в висячем крыле сброса и на 15 % - в лежачем.

На основе анализа данцых компьютерного моделирования получены математические зависимости протяженности зоны влияния нарушения от геометрических параметров нарушения и I орно-геологических условий эксплуатации выработки. В качестве фактора функции принята протяженность зоны влияния нарушения

Основными факторами - аргументами, влияющими на конечную величину, были приняты: Х-^-р- угол встречи выработкой (линией очистного забоя) плоскости простирания дизъюнктивного нарушения, град; Хг = ч> - угол падения сместителя нарушения, град; Х} = Е - модуль упругости пород кровли, ГПа; Х4 = Н - глубина расположения выработки, м.

Были получены следующие корреляционные зависимости для прогноза протяженности зоны влияния разрывного нарушения для висячего и лежачего крыльев нарушения:

для висячего крыла дизъюнктивного нарушения

Я, = ~~8,37• 10~* V + 9,278-1п(0)-21,1 (6)

Е Н

для лежачего крыла дизъюнктивного нарушения

П = -<р' +3,17-1п(/3)-7,94 (7)

Е Н

Полученные в результате расчета диаграммы (рис 1, рис. 2) распределения зон неупругих деформаций пород кровли по длине подготовительной выработки свидетельствуют о возникновении возможного разрушения пород в пределах этих зон В связи с этим в указанных зонах породы находятся в неустойчивом состоянии и существует опасность их обрушения в выработку. Поэтому высота ЗНД - высота зоны разрушенных пород кровли, оказывающих давление на крепь, является важным фактором при выборе эффективных способов крепления подготовительных выработок в зоне влияния дизъюнктивных нарушений.

Анализ диаграмм распределения ЗНД пород кровли по длине выработки (рис. 1, рис 2) показывает, что в зоне влияния разрывного нарушения, как в висячем, так и в лежачем боку высота ЗНД пород кровли возрастает в 1,5 т 2,5 раза и достигает 4,0 м.

На высоту ЗНД пород кровли подготовительных выработок в зоне влияния разрывного дизъюнктивного нарушения и выработанного про-

сгранства лавы, как показали исследования, наибольшее значение оказывает совместное влияние следующих факторов угол встречи выработкой плоскости просшрания дизъюнктивною нарушения, град. -ß, град, угол падения сме-стителя нарушения - <р, град; модуль упруюсти пород кровли - Е, ГИа; дубина расположения выработки - Н, м.

На основе анализа данных компьютерного моделирования получены следующие магматические зависимости высоты зоны неупругих деформаций пород кровли 01 параметров нарушения и горно-геологических условий эксплуатации подготовительной выработки:

для висячего крыла дизъюнктивного нарушения

S„= О^- + 0,3251п(Н)-2,29-10-6<р,-Ц-+1?87 (8)

Е ß

для лежачего крыла дизъюнктивного нарушения

5 _ ZMi + о,23851п(Н)-1,68 10ч> <р3 -Щ- +1,251 (9)

Е ß

Таким образом, проведенные шахтные исследования и компьютерное моделирование позволили выявить математические зависимости для прогноза максимальной конвергенции пород подготовительной выработки (Uuax), протяженности зоны влияния дизъюнктивного нарушения (//,„ П,) и высоты зоны Heynpyiих деформаций пород кровли (S„ S,), что вошло в основу предложенной автором методики расчета технологических параметров крепи и охраны подготовительных выработок в зоне влияния дизъюнктивных геологических нарушений

Основным целевым назначением разработанной методики расчета является проектирование крепи и охраны подготовительных выработок в зоне влияния дизъюнктивных нарушений Методика позволяет определить:

• протяженность участка подготовительной выработки, находящегося в зоне влияния дизъюнктивного нарушения, где необходимо применять данную методику расчета при проектировании крепи и способа охраны;

• технологические параметры крепи подготовительной выработки в пределах этого участка (несущая способность, плотность установки);

• параметры охранных конструкций в пределах этого участка.

С практической точки зрения, в условиях действующего выемочною участка технологические параметры поддержания подготовительной выработки в эксплуатационном состоянии должны быть одинаковы на всем протяжении выработки.

Общий подход в выборе типа и параметров крепи и охранных конструкций подготовительной выработки на участке влияния дизъюнктивного нарушения базируется на следующем принципе: параметры крепи и охранных конструкций подбираются таким образом, чтобы ожидаемая конвергенция выработки в зоне влияния нарушения была равна прогнозной конвергенции для протяжен-

ной части подготовительной выработки.

Разработанная в данной диссертационной работе, методика расчета крепи и параметров охраны подготовительных выработок в зоне влияния дизъюнктивных I сологических нарушений решает вопрос обеспечение безремонтного поддержания выработок в течение всего срока эксплуа!ации или сведение затрат на ремонт к минимальным

В соответствии с расчетом, по разработанной автором методике, плотность установки крепи в зоне влияния нарушения превышает в 2 т 2,25 раза плотность крепи, рассчитанной в соответствии с нормативными документами. То же можно сказать о параметрах охранных конструкций в зоне влияния дизъюнктива. С точки зрения величины капитальных затрат на проведение и крепление подюювительной выработки, повышение металлоемкое!и крепи и несущей способности охранных конструкций неизбежно ведет к удорожанию проходческих работ Но при эксплуатации подготовительной выработки эти меры значительно снизят капитальные затраты на поддержание выработки в рабочем состоянии и позволят исключить вероятность завала выработки и остановки лавы. Сюимость ремонтно-восстановительных работ в данном случае соизмерима со стоимостью проведения новой горной выработки. Остановка лавы приводит к потере добычи по выемочному участку, а обшешахтные расходы в момент простоя лавы остаются без изменения, что приводит к повышению себестоимости добытого угля и снижению экономических показателей шахты в целом.

Проведенный экономический расчет показал, что при использовании параметров крепи и охраны по предлагаемой методике, сумма годовой прибыли возрастает на 8,32 млн. руб, или на 4,62 руб/т добытого угля, в ценах 1995 г, по сравнению с базовым вариантом. Таким образом, можно сделать вывод об экономической целесообразности применения на шахтах Российского Донбасса предлагаемой меюдики расчета параметров крепи и охраны подготовительных выработок в зоне влияния дизъюнктивных геологических нарушений

Основные результаты исследований приняты к внедрению при проектировании параметров крепи и способов охраны подготовительных выработок на участках пересечения дизъюнктивных нарушений на шахтах ОАО «Донуголь» и ОАО «Гуковуголь» Донецкого угольного бассейна. При использовании параметров крепи и охраны по предлагаемой методике, сумма годовой прибыли возрастает на 4,62 руб/т добытого угля, в ценах 1995 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Диссертация является законченной научной квалификационной работой, в которой на основании теоретических и экспериментальных исследований дано решение актуальной задачи геомеханического обоснования способов обеспечения устойчивости подготовительных выработок в зонах дизъюнктивных геологических нарушений, и разработана методика расчета параметров крепле-

ния и способов охраны выработок, позволяющих обеспечить их безремонтное поддержание в течение всего срока эксплуатации, что имеет существенное значение для угольной офасли.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем :

1 Проведено исследование изменения геомсханического состояния массива горных пород вокруг подготовительных выработок в зоне влияния дизъюнктивных тектонических нарушений

2. С помощью производственных экспериментальных исследований изучен механизм конвергенции вмещающих пород подготовительных горных выработок в зоне влияния дизъюнктивных тектонических нарушений и выявлены математические зависимости величины конвергенции от горно-геолошческих и горнотехнических условий эксплуатации подготовительной выработки.

3. Методами математического моделирования проведены геомеханические исследования напряженно-деформированного состояния массива горных пород и выявлены математические зависимости, позволяющие спрогнозировать величину на1рузки на крепь подготовительных выработок в зоне дизъюнктивных дологических нарушений

4. На основе установленных зависимостей и научных положений разработана методика расчета оптимальных технологических параметров крепления и охраны подготовительных выработок пораженных дизъюнктивными нарушениями, при которых обеспечивается безремонтное их поддержание на всех стадиях эксплуатации.

5. Для автоматизации процесса проектирования крепи и способов охраны подготовительных выработок в зоне влияния дизъюнктивных нарушений разработана компьютерная про1рамма.

6. Определена экономическая целесообразность применения методики расчета параметров крепления и охраны подготовительных выработок в зоне влияния дизъюнктивных геологических нарушений на шахтах Российского Донбасса.

7 Основные результаты исследований приняты к внедрению при проектировании параметров крепи и способов охраны подготовительных выработок на участках пересечения дизъюнктивных нарушений на шахтах ОАО «Дон-уголь» и ОАО «Гуковуголь» Донецкого угольного бассейна. При использовании параметров крепи и охраны по предла1аемой методике, сумма годовой прибыли возрастает на 4,62 руб/т добытого угля, в ценах 1995 г.

Основное содержание и результаты диссертации опубликованы в следующих работах :

1. Шестаков В.А., Компанейцев А Ю., Белодедов A.A., Шмаленюк A.A., Шмаленюк А.П. Алгоритм и программа для решения задач сравнительной оценки вариантов добычи и переработки угля. // Разработка научных основ и способов ресурсосберегающей и экологически чистой технологии добы-

чи полезных ископаемых: Материалы 52 науч -техн. конф. ЮРГТУ (НПИ) / ЮРГТУ (НПИ) - Новочеркасск: УЦ11 «Набла», 2003. - С. 127 - 135.

2. Шестаков В.А., Компанейцев А.Ю, Белодедов A.A., Шмаленюк A.A., Шмаленюк А.П Экономико-математическая модель добычи и переработки коксующихся углей. // Разработка научных основ и способов ресурсосберегающей и экологически чистой технологии добычи полезных ископаемых: Материалы 52 науч. -техн. конф. ЮРГТУ (НПИ) / ЮРГТУ (НПИ) - Новочеркасск: УЦП «Набла», 2003. - С. 171 - 175.

3. Ткачев В.А., Компанейцев А.Ю. Оценка условий осложняющих поддержание подготовительных выработок на шахтах Российского Донбасса. // Разработка научных основ и способов ресурсосберегающей и экологически чистой технологии добычи полезных ископаемых: Материалы 52 науч. -техн. конф. ЮРГТУ (НПИ) / ЮРГТУ (НПИ) - Новочеркасск: УЦП «Набла», 2003. - С. 155-160.

4. Ткачев В.А., Компанейцев А.Ю. Анализ сложных горно-геологических условий поддержания подготовительных выработок на шахтах Российского Донбасса. // Научно-технические и социально-экономические проблемы Российского Донбасса: Сб. науч. тр./ Шахтинский ин-т ЮРГТУ - Новочеркасск: УЦП «Набла», 2003. - С. 98 - 103

5. Компанейцев А.Ю. Шахтные исследования геомеханических процессов в выемочных штреках и определение степени влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на их устойчивость. // В кн.: Эффективные способы крепления и поддержания подготовительных выработок при разработке тонких угольных пластов / Ткачев В А , Шестаков В.А , Павленко

B.И. /- Новочеркасск: УЦП «Набла», 2003 - разд 3 2, С. 122 - 151

6 Компанейцев А.Ю. Методика исследований напряженно-деформированного состояния массива горных пород и выбор рационального критерия оценки его устойчивости. // Исследования в области инженерно-технических процессов: Сборник научных статей студентов, аспирантов и молодых ученых. / ЮРГТУ (НПИ) - Новочеркасск: УПЦ «Набла», 2004. -

C. 87 - 89.

7. Компанейцев А.Ю. Исследования влияния дизъюнктивных нарушений на конвергенцию подготовительных выработок на шахтах Российского Донбасса. // Научно-технические проблемы разработки угольных месторождений, шахтного и подземного строительства : Сб. науч. тр. /Шахтинский инт ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск: УПЦ «Набла», 2005. - С. 91 - 98.

8. Компанейцев А.Ю. Исследования проявлений горного давления в выемочных штреках шахт Восточного Донбасса. // В кн.: Эффективные способы крепления и поддержания горных выработок на основе ресурсосберегающих технологий. / Ткачев В.А., Страданченко С.Г., Привалов A.A.- Ростов н/Д: Ред ж. «Изв. вузов Сев. Кав. региона», 2005.- разд. 5.1 - 5.4., С. 212 -240.

№22 082

РНБ Русский фонд

2006-4 17787

Ичд лиц ЛР Хй 020300 от 12 02.97 Подписано в печать 7. И 2005 Формат бумаги 60x84 1/16 Бума! а офсетная Уел исч л Уч -изд л ^ Тираж 100 экз. Заказ

Тульский I осударственный универсигск 3006Ш, 1 Тула, проси Ленина. 92

Отпечатано в Издательстве Туя ГУ 300600.1 Тул ул. Болдина. 151

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Компанейцев, Андрей Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ.•.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Горно-геологические и горнотехнические условия разработки угольных месторождений Российского Донбасса.

1.2. Анализ горно-геологических факторов осложняющих условия поддержания подготовительных выработок шахт Российского Донбасса.

1.3. Изучение состояния подготовительных выработок на шахтах

Российского Донбасса.

1.4. Анализ теоретических и экспериментальных исследований в области прогнозирования проявлений горного давления и оценки устойчивости подготовительных'выработок в сложных горно-геологических условиях.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 2. ШАХТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗВИТИЯ

ГЕОМЕХАНИЧСКИХ ПРОЦЕССОВ В ОКРЕСТНОСТИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК И ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ВЛИЯНИЯ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ВЫРАБОТОК.

2.1. Основные положения.

2.2. Методика шахтных исследований.

2.3. Исследования конвергенции вмещающих пород в подготовительных выработках.

2.4. Определение степени влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на конвергенцию подготовительных выработок.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3. ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД В ЗОНЕ ДИЗЪЮНКТИВНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ, МЕТОДАМИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

3.1. Общие положения.

3.2. Методика исследований.

3.2.1. Горно-геологические условия.

3.2.2. Граничные условия и заданные нагрузки.

3.2.3. Метод решения.

3.2.4. Результаты расчета.:.

3:3. Анализ напряженно-деформированного состояния пород кровли подготовительной выработки в зоне влияния разрывных нарушений.

3.3.1. Определение степени влияния параметров дизъюнктивных нарушений и горно-геологических условий эксплуатации подготовительных выработок на протяженность зоны разрывного нарушения.

3.3.2. Определение степени влияния параметров дизъюнктивных нарушений и горно-геологических условий эксплуатации подготовительных выработок высоту зоны неупругих' деформаций пород кровли.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КРЕПЛЕНИЯ И ОХРАНЫ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ДИЗЪЮНКТИВНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ.

4.1. Общие положения.

4.2. Анализ области применения нормативной методики расчета крепи подготовительных выработок в зоне влияния дизъюнктивных геологических нарушений.

4.3. Разработка методики расчета крепи и выбора способа охраны подготовительных выработок в зоне влияния дизъюнктивных, геологических нарушений

4.4. Пример расчета крепи и параметров охраны подготовительной выработки, пересекающей дизъюнктивное геологическое нарушение.•.

ВЫВОДЫ.•.

ГЛАВА 5. ОБОСНОВАНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ

ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ И РЕКОМЕНДАЦИЙ.

5.1. Общие положения

5.2. Разработка критерия экономического сравнения способов крепления и поддержания подготовительных выработок.

5.3. Определение экономической эффективности применения параметров крепления и охраны по разработанной методике.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование способов обеспечения устойчивости подготовительных выработок в сложных горно-геологических условиях"

Опыт строительства и эксплуатации шахт в Донбассе показывает, что более 15 % горных выработок проводят и поддерживают в сложных условиях, обусловленных наличием геологических нарушений (примерно 80 % таких выработок приходится на пластовые). Нарушенность шахтопластов возрастает в направлении с запада (Новомосковский угленосный район) на восток (Гуково-Зверевский угленосный район), при этом протяженность выработок, поддерживаемых в зонах геологических нарушений, изменяется с 8 % (ПО "Павло-градуголь") до 22 % (ОАО "Гуковуголь").

Восточные угленосные районы Донбасса характеризуются многообразием видов геологических нарушений. Особый интерес в этом плане представляет Гуково-Зверевский район, занимающий одно из ведущих мест в бассейне по добыче антрацитов. Его промышленное значение определяется большими запасами качественных энергетических углей.

Характерными нарушениями являются надвиги, сбросы, взбросы, флек-сурные складки, размывы, раздувы, пережимы, расщепления и перегибы пласта. Следует отметить, что встречаются сочетания геологических нарушений разных видов. Так, например, разрывным нарушениям часто сопутствуют флексурные складки, а размывам - пережимы, раздувы и расщепления пласта.

В зонах влияния геологических нарушений отмечается снижение скорости проходки в 2-3 раза и увеличение затрат на проведение и ремонт выработок в 1,5-2,5 раза, что обусловлено, главным образом, значительными вывалообра-зованиями с высотой до 4 м в забойной части выработки, связанными с интенсивной трещиноватостью породного массива.

Из общего объема геологических нарушений наиболее значительными являются разрывные нарушения.

В условиях разрывных нарушений поддерживается примерно 50 % горных выработок, в том числе 68 % пластовых, пройденных в геологических нарушениях, а удельный вес разрывных нарушений в затратах на ремонт достигает 70 %. Таким образом, можно утверждать, что актуальность научных исследований, направленных на обоснование способов обеспечения устойчивости подготовительных выработок в сложных горногеологических условиях, несомненна. Автор при интерпретации результатов своих исследовании критически принимал во внимание результаты экспериментальных работ ВНИМИ в данном направлении. Исследования автора позволили ему определить область применения как известных, так и разработанных новых методик прогнозирования устойчивости подготовительных выработок в зонах влияния дизъюнктивных тектонических разрывных нарушений антрацитовых пластов.

Комплекс выполненных автором исследований посвящен разработке научно обоснованной методики определения устойчивости подготовительных выработок, параметров крепи и охраны в зоне влияния дизъюнктивных тектонических нарушений, а также составлению специальных программ расчета указанных параметров на ЭВМ в соответствии с разработанной методикой.

Соответствие диссертации целевым комплексным программам.

Диссертационная работа посвящена разработке способов и средств охраны и крепления подготовительных выработок, пораженных дизъюнктивными геологическими нарушениями и непосредственно связана с тематикой НИОКР Шахтинского института ЮРГТУ: «Разработать средства и способы охраны и крепления горных выработок и обеспечение безопасности труда на горных предприятиях».

Цель работы - обоснование способов обеспечения устойчивости подготовительных выработок в сложных гор но-геологических условиях (в зонах дизъюнктивной нарушенности массива горных пород).

Идея pa6otbi заключается в комплексном подходе к решению задач выбора способов крепления и поддержания подготовительных выработок в зоне влияния дизъюнктивных геологических нарушений на основе изучения геомеханических зависимостей состояния горных массивов и действия крепей с учетом влияния на работу очистных забоев.

Методы исследования. При выполнении работы использован комплексный метод исследований, включающий методы математической статистики и теории вероятностей, корреляционный и регрессионный анализ, аналитические исследования напряженно-деформированного состояния и устойчивости боковых пород в сложных горно-геологических условиях, шахтные инструментальные наблюдения, применение современных методов компьютерного моделирования породного массива, находящегося под влиянием очистных работ и геологических факторов, осложняющих условия поддержания подготовительных выработок, разработку новых методов расчета параметров крепления и охраны выработок и их технико-экономическое обоснование.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

- получены аналитические зависимости, позволяющие прогнозировать ожидаемую конвергенцию выработки в зоне влияния дизъюнктивных геологических нарушений, в зависимости от параметров разрыва и горногеологических условий эксплуатации выработки, и с учетом влияния очистных работ.

- выявлено, что на протяженность зоны влияния дизъюнктивного нарушения наибольшее влияние оказывают угол падения сместителя разрывного нарушения, угол встречи забоя выработки с плоскостью простирания сместителя и почти не оказывает влияние глубина расположения выработки и модуль упругости вмещающих пород.

- установлено, что на высоту распространения зоны неупругих деформаций (ЗНД) пород кровли наибольшее влияние оказывает угол падения сместителя разрывного нарушения и механические свойства горных пород кровли (модуль упругости).

- определено, что высота распространения ЗНД пород кровли в висячем крыле сброса превышает на 30 + 40 % высоту распространения ЗНД — в лежачем крыле сброса.

- на основе полученных зависимостей и научных положений разработана методика расчета оптимальных технологических параметров крепления и охраны подготовительных выработок, пораженных дизъюнктивными нарушениями, при которых обеспечивается безремонтное их поддержание на всех стадиях эксплуатации. Методика отличается от ранее известных знаний не только использованием установленных автором зависимостей но и вариантным проектированием на ЭВМ с применением комплексной экономической оценки эффективности разработанных научных положений.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается точностью (погрешность не превышает 12 %) удовлетворения граничных условий задач, решение которых положено в основу разработанной методики расчета; статистическим анализом данных с использованием апробированных программных средств; корректностью постановки задач; использованием современных методов анализа и математического моделирования; инженерно-техническими проработками и проектными решениями.

Научное и практическое значение:

- выявление факторов, влияющих на выбор параметров крепи и охраны подготовительных выработок в зоне влияния дизъюнктивных геологических нарушений;

- разработка методики расчета технологических параметров крепи и охраны подготовительных выработок в зоне влияния дизъюнктивных геологических нарушений;

- разработка компьютерной программы расчета технологических параметров крепи и охраны подготовительных выработок на основе предложенной методики.

Апробация работы. Основные положения работы обсуждены и одобрены на научной конференции ШИЮРГТУ (г. Шахты, 2003 г), заседаниях технических советов ОАО «Ростовшахтострой» (г. Шахты, 2004 - 2005 гг), ОАО «Кузниишахтострой» (г. Кемерово, 2005 г), ОАО «Донуголь» (г. Шахты, 2003 - 2005 гг) и института "Ростовгипрошахт" (г. Ростов-на-Дону, 2005 г), научных семинарах кафедры подземное, промышленное и гражданское строительство и строительные материалы ШИЮРГТУ (г. Шахты, 2004 -2005 гг).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 160 страницах машинописного текста, ссдоержит 41 рисунок, 32 таблицы, список использованной литературы из 86 наименований и 7 приложений, включающих основные результаты исследований и справочные данные.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Компанейцев, Андрей Юрьевич

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах :

1. Шестаков В.А., Компанейцев А.Ю., Белодедов А.А., Шмаленюк А.А., Щмаленюк А.П. Алгоритм и программа для решения задач сравнительной оценки вариантов добычи и переработки угля. // Разработка научных основ и способов ресурсосберегающей и экологически чистой технологии добычи полезных ископаемых: Материалы 52 науч. -техн. конф. ЮРГТУ (НИИ) / ЮРГТУ (НПИ) - Новочеркасск: УЦП «Набла», 2003. -С. 127 - 135.

2. Шестаков В.А., Компанейцев А.Ю., Белодедов А.А., Шмаленюк А.А., Щмаленюк А.П. Экономико-математическая модель добычи и переработки коксующихся углей. // Разработка научных основ и способов ресурсосберегающей и экологически чистой технологии добычи полезных ископаемых: Материалы 52 науч. -техн. конф. ЮРГТУ (НПИ) / ЮРГТУ (НПИ) - Новочеркасск: УЦП «Набла», 2003. - С. 171 - 175.

3. Ткачев В.А., Компанейцев А.Ю. Оценка условий осложняющих поддержание подготовительных выработок на шахтах Российского Донбасса. // Разработка научных основ и способов ресурсосберегающей и экологически чистой технологии добычи полезных ископаемых: Материалы 52 науч. -техн. конф. ЮРГТУ (НПИ) / ЮРГТУ (НПИ) - Новочеркасск: УЦП «Набла», 2003. - С. 155 - 160.

4. Ткачев В.Л., Компанейцев Л.Ю. Анализ сложных горно-геологических условий поддержания подготовительных выработок на шахтах Российского Донбасса. // Научно-технические и социально-экономические проблемы Российского Донбасса: Сб. науч. тр./ Шахтинский ин-т ЮРГТУ -Новочеркасск: УЦП «Набла», 2003. - С. 98 - 103.

5. Компанейцев А.Ю. Шахтные исследования геомеханических процессов в выемочных штреках и определение степени влияния горногеологических и горнотехнических факторов на их устойчивость. // В кн.: Эффективные способы крепления и поддержания подготовительных выработок при разработке тонких угольных пластов. / Ткачев В.А., Шес-таков В.А., Павленко В.И. / - Новочеркасск: УЦП «Набла», 2003. - разд. 3.2, С. 122-151.

6. Компанейцев А.Ю. Методика исследований напряженно-деформированного состояния массива горных пород и выбор рационального критерия оценки его устойчивости. // Исследования в области инженерно-технических процессов.: Сборник научных статей студентов, аспирантов и молодых ученых. / ЮРГТУ (НПИ) - Новочеркасск: УПЦ «Набла», 2004.-С. 87-89.

7. Компанейцев А.Ю. Исследования влияния дизъюнктивных нарушений на конвергенцию подготовительных выработок на шахтах Российского Донбасса. // Научно-технические проблемы разработки угольных месторождений, шахтного и подземного строительства : Сб. науч. тр. /Шахтинский ин-т ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск: УПЦ «Набла», 2005. -С. 91-98.

8. Компанейцев А.Ю. Исследования проявлений горного давления в выемочных штреках шахт Восточного Донбасса. // В кн.: Эффективные способы крепления и поддержания горных выработок на основе ресурсосберегающих технологий. / Ткачев В.А., Страданченко С.Г., Привалов А.А.- Ростов н/Д: Ред. ж. «Изв. вузов Сев. Кав. региона», 2005.- разд. 5.1 -5.4., С. 212-240.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой на основании теоретических и экспериментальных исследований дано решение актуальной задачи обоснования способов обеспечения устойчивости подготовительных выработок в сложных горно-геологических условиях, имеющей существенное значение для угольной отрасли.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем :

1. Проведено исследование изменения геомеханического состояния массива горных пород вокруг подготовительных выработок в зоне влияния дизъюнктивных тектонических нарушений.

2. С помощью производственных экспериментальных исследований изучен механизм конвергенции вмещающих пород подготовительных горных выработок в зоне влияния дизъюнктивных тектонических нарушений и выявлены математические зависимости величины конвергенции от горно

• геологических и горнотехнических условий эксплуатации подготовительной выработки.

3. Методами математического моделирования проведены геомеханические исследования напряженно-деформированного состояния массива горных пород и выявлены математические зависимости, позволяющие спрогнозировать величину нагрузки на крепь подготовительных выработок в зоне дизъюнктивных геологических нарушений.

4. На основе установленных зависимостей и научных положений разработана методика расчета технологических параметров крепления и охраны

• подготовительных выработок пораженных дизъюнктивными нарушениями при которых обеспечивается безремонтное их поддержание на всех стадиях эксплуатации.

5. Для автоматизации процесса проектирования крепи и способов охраны подготовительных выработок в зоне влияния дизъюнктивных нарушений разработана компьютерная программа.

6. Разработана компьютерная программа для решения задач сравнительной оценки вариантов добычи и переработки угля.

7. Определена экономическая целесообразность применения методики расчета параметров крепления и охраны подготовительных выработок в зоне влияния дизъюнктивных геологических нарушений на шахтах Российского Донбасса.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Компанейцев, Андрей Юрьевич, Шахты

1. Betriebsempfehlung fur den Steinkohlenbergbau 20.3: Gebirgsmachanische und ausbautechnische Entscheidungshilfen: Planung von Abbaustrecken. Essen: Verlag Gluckauf, 1982.

2. Kammer W. Kemrwerte der Gebirgsbeherrschung in Strecken. In: Jacobi O. Praxis der Gebirgsbeherrschung, Teil F. Essen: Verlag Gluckauf. 1981.

3. Schwartz В., Untersuchunden der Gebigbewegungen um bergmannische Hohlraume. Bergbauwiss, I960, № 7.

4. Айзаксон Э. Давление горных пород в шахтах. Госгортехиздат, 1951.

5. Асылова К.М. Определение материальных затрат при проведении и поддержании горных выработок // Совершенствование технологических схем проведения и способов поддержания горных выработок на глубоких горизонтах / Караганда, 1988. с. 79 - 81.

6. Бажин Н.П., Мельников О.И., Пиховкин B.C. и др. Охрана подрабатываемых подготовительных выработок. М.: Недра, 1976.

7. Бажин Н.П., Райский В.Б., Волков Ю.В. и др. Охрана подготовительных выработок без целиков. М. Недра, 1975.

8. Белаенко Ф.А. Горное давление при разработке марганцевых руд в Никопольском бассейне. В кн.: "Исследование горного давления". -М: Госгортехиздат, 1960.

9. Бесков М.И., Патрикеев Г.И., Сафрошкин Н.А. К вопросу прогнозирования смещений кровли подготовительных выработок при способе охраны без оставления угольных целиков. Науч. со-общ. ИГД им. А.А. Скочинского. - М., 1973. - Вып. 107. - с. 95-99.

10. Борисов А.А. Расчет горного давления в лавах пологих пластов. "Недра". М, 1964.

11. Бородин Р.Л. Разработка способов поддержания подготовительных выработок в зонах интенсивной мелкоамплитудной нарушенное™ антрацитовых пластов Восточного Донбасса. Автореферат. Л. 1999. 16 с.

12. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. М., Недра, 1982. 270 с.

13. Векслер Ю.А. Определение смещений горных пород вокруг горизонтальных подготовительных выработок на глубоких горизонтах шахт. "Уголь", 1964, №7.

14. Векслер Ю.А. Определение смещений горных пород вокруг горизонтальных подготовительных выработок на глубоких горизонтах шахт. "Уголь", 1964, №7. .

15. Временная инструкция по расчету и применению анкерной крепи на шахтах Восточного Донбасса//СПб: ВНИМИ, 1998. 79 с.

16. Временные указания по выбору оптимальных способов охраны подготовительных выработок без целиков. Минуглепром СССР. Л.:ВНИМИ. 1974.-59 с.

17. Газизов М.С. Влияние структурных зон разрывных нарушений на технологию горных работ на угольных шахтах //Науч. сообщ. /Ин-т горн, дела им. А.А. Скочинского. -1986. Вып. 252. - с. 54-58.

18. Гелескул М.Н. и др. Методика шахтных исследований горного давления в капитальных и подготовительных выработках на больших глубинах. В сб.: "Вопросы горного давления", № 20. - Новосибирск. Изд-во Сибирского отделения АН СССР, 1964.

19. Гелескул М.Н., Усан Подгорнов Б.М. Исследование проявлений горного давления в подготовительных выработках и выбор рациональных способов их крепления. Промежуточный отчет по теме №33, этапу №1 М., 1965.

20. Гринько С.Н. Влияние сопротивления крепи на смещения контура повторно используемой выработки //Управление состоянием угленосной толщи: Сб. научн. тр. М: МГИ, 1982. - с. 13-17.

21. Грншкова Н.Г1. Определение механических свойств и упругих постоянных горных пород Донбасса. В сб. трудов комиссии по управлению кровлей. - Донецк: ОНТИ, 1937.

22. Динник А.Н. и др. Распределение напряжений вокруг подземных горных выработок. В сб. трудов совещания по управлению горным давлением. - М.:Академиздат, 1938.

23. Дружко Е.Б., Заславский Ю.З., Перепичка Ф.И. Устойчивость основных горных выработок. Донецк.: Донбасс, 1975. - 144 с.

24. Ержанов Ж.С, Каримбаев Т.Д. Метод конечных элементов взадачах механики горных пород. Алма-Ата: Наука, 1975. - 238 с.

25. Ершов В. К математической теории горного давления. В кн. "Аналитические методы исследования и математическое моделирование горных процессов". - М.: Госгортехиздат, 1963.

26. Заславский Ю.З. и др. Расчеты параметров крепи выработок глубоких шахт. Киев: "Техника", 1972.

27. Зенкевич O.K. Метод конечных элементов в технике. М.: ИЛ., -1968,-240 с.

28. Илынтейн A.M. Закономерности проявления горного давления. Углетехиздат, 1958.

29. Инструкция по выбору рамной металлической податливой крепи горных выработок. Минуглепром СССР. Л.:ВНИМИ, 1994. 174 с. •

30. Калчанов Л.П. Теория ползучести. М: Физматгиз, 1960.

31. Каталог паспортов наблюдений за проявлением горного давления в подготовительных выработках. Минуглепром СССР. Л.: ВНИМИ., 1975.- 107 с.

32. Каталог пологих пластов и участков с тяжелыми кровлями в угольных бассейнах СССР. Л.:ВНИМИ. Л., 1974.

33. Каталог шахтопластов Донецкого угольного бассейна с характеристикой горно-геологических факторов и явлений. Люберцы /ИГД им. А.А. Скочинского, 1982. - 268 с.

34. Киселев Е.С. О расчетной нагрузке на крепь подготовительных выработок. "Уголь Украины", 1958, № 3.

35. Кошелев К.В., Петренко Ю.А., Новиков А.О. Охрана и ремонт горных выработок. М.: Недра., 1990. — 218 с.

36. Кошелев К.В., Стрельцов Е.В., Петренко Ю.А. и др. Пути улучшения состояния капитальных выработок глубоких шахт Донбасса. Экспресс-информация/ЦНИЭИуголь ЦБНТИ Минуглепрома УССР. М.: 1978.

37. Кошелев К.В., Черняев В.И. Влияние фактора времени на величину смещения пород в горных выработках. "Шахтное строительство", №1, 1985, - с.13-14.

38. Крыжановская Т.А. Исследование вопроса давления горных пород на крепь горизонтальных выработок на основе теории вязкопласти-ческого течения. В кн. "Исследование горного давления" - М.: Гос-гортехиздат, 1960.

39. Курленя М.В., Миренков В.Е., Хан Г.Н. Напряженно-деформи рованное состояние в окрестности протяженной выработки. Физ. техн. проблемы разработки полезных ископаемых. - 1984, № 5 - С. 52

40. Либерман Ю.М. Давление на крепь капитальных выработок. М.: "Наука", 1969.

41. Либерман Ю.М., Панов А.Д. Применение методов механики сплошных сред в исследованиях горного давления. М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1962. - 30 с.

42. Литвинский Г.Г. Классификация и прогноз горного давления в под земных выработках (в порядке обсуждения). Уголь. - 1996, - № 2. - с. 50-51.

43. Литвинский Г.Г., Бабиюк Г.В., Быков А.В. Эффективные способы предотвращения пучения пород в шахтах: Обзорная информация /ЦНИЭИуголь, ЦБНТИ Минуглепрома УССР. Выпуск 2. М., 1985. — 48 с.

44. Максимов А.П. Выдавливание горных пород и устойчивость подземных выработок. М.; Госгортехнадзор, 1968.

45. Методические указания по прогнозированию горно-геологических условий на участках высокопроизводительных лав. Минуглепром СССР. Гуково , 1977.

46. Муратов Н.А., Бич Я.А. Горно-геометрический метод прогноза условий ведения гонных работ в зонах разрывов. //Сборник докладов /Международный конгресс по маркшейдерскому делу, СССР. Л -1986. -Вып. IV.-с. 107-115.

47. Орлов В.В. Выбор рациональных типов крепей для горизонтальных выработок, находящихся в сложных условиях. В кн.: "Исследование горного давления". - М.: Госгортехиздат, 1960.

48. Панов А.Д. и др. Горное давление в очистных и подготовительных выработках. М.: Госгортехиздат, 1959.

49. Парашкевов Р. Върху избора на подходяща характеристика накрепежа за мини изработки, прокарани в слаби екали. "Мино дело и металлургия", 1963, № 1.

50. Прогрессивные паспорта крепления, охраны и поддержания подготовительных выработок при бесцеликовой технологии отработки угольных пластов, Минуглепром СССР. Л.: В НИМИ., 1985. 111 с.

51. Протодьяконов М.М. Давление горных пород и рудничное крепление. Ч. 1.-М.: Гостехиздат, 1931.

52. Райский В.В., Бажин Н.П., Шерман JT.M. Выбор экономически целесообразных способов охраны подготовительных выработок. //Сборник научных трудов /Научно-исследовательский ин-т горн, геомех. и маркш. дела ВНИМИ. -1979. Вып. 111. - с.27-33.

53. Рева В.Н., Мельников О.И., Райский В.В. Поддержание горных выработок. М.: Недра., 1995. - 270 с.•56. Рейнер М. Реология. М.: "Наука", 1965.

54. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчеты крепи. М.:Стройиздат., 1983.

55. Саженев В.П., Коломиец В.А., Щербаков В.А. Механизм потери устойчивости выработки при совместном действии горного давления и влаги.

56. Сажин B.C. Упруго пластическое распределение напряжений вокруг горных выработок различного очертания. "Наука". М., 1968.

57. Слесарев В.Д. Механика горных пород и крепление подземных горных выработок. М.: Углетехиздат, 1948.

58. Станкус В.М. Исследование и установление рациональных типов и горнотехнических параметров крепи подготовительных выработок при разработке пологих и наклонных пластов Кузнецкого бассейна. Автореферат. М. 1974., - 13 с.

59. Строительные нормы и правила. 4.II нормы проектирования, глава 94 - подземные горные выработки (СНиП П-94-80). - М.: Стройиздат., 1982.

60. Технология подземной разработки месторождений полезных ископаемых. Учебник для вузов /Под общей редакцией Л. С. Бурчако-ва. 3-е изд. перераб. и доп. М., Недра, 1983. - 487 с.

61. Ткачев В.А. Обоснование эффективных способов крепления и поддержания подготовительных выработок с учетом взаимовлияния с очистными забоями. Автореферат. Новочеркасск ., 2000. - 36 с.

62. Ткачев В.А., Сафрошкин Н.А. Прогнозирование смещений пород кровли сопряжений струговых лав с подготовительными выработками. Тр. Шахт. науч. - исслед. и проектно-конструк. угольного ин-та, 1978. -№ 19. -с. 30-33.

63. Ткачев В.А., Страданченко С.Г., Привалов А.А. Эффективные способы крепления и поддержания горных выработок на основе ресурсосберегающих технологий. Ростов н/Д: Ред. ж. «Изв. вузов Сев. Кав. региона», 2005.- разд. 5.1 - 5.4., с. 212 - 240.

64. Ткачев В.А., Шестаков В.А., Павленко В.И. Эффективные способы крепления и поддержания подготовительных выработок при разработке тонких угольных пластов ЯОРГТУ (НПИ) Новочеркасск: УГТЦ «На-бла» , 2003.-218 с.

65. Туркенечева О.А. Разработка эффективных способов и средств по обеспечению устойчивости почв подготовительных выработок. Автореферат. УДК 622.016.347. Новочеркасск., 2002. - 22 с.

66. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР. Минуглепром СССР. Л.:ВНИМИ, 1985. 222 с.

67. Фадеев А.Б'. Метод конечных элементов в геомеханике. М.: Недра, - 1987,-220 с.

68. Ходжаев P.IIL, Огаркова Е.В., Тен Н.В. Себестоимость добычи угля по участку и шахте. -М.: Недра, 1991.- 144 с.

69. Худин Ю.Л., Устинов М.И., Брайцев А.В. Бесцеликовая отработка пластов. М.: Недра, 1983.

70. Цимбаревич П. М. Рудничное крепление. Углетехиздат, 1957.

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

72. Черняк И.Л. Предотвращение пучения почвы горных выработок.- М.: Недра, 1978, 237с.

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