автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Анализ напряженно-деформированного состояния массива в окрестности движущегося забоя в условиях пространственного взаимовлияния горных выработок

Российская Академия паук Ордена Ленина Сибирское отделение Институт угля

На правах рукописи

1Д/ШККН Николай Алексыщрович

УДК 622.831:622.235:622.268.6

АНАЛИЗ НАЛИШННО-ДЕФОРМИРОЕАННОГО СОСТОШШ МАССИВА. В ОКРЕСТНОСТИ ДОШЩЕГОСЯ ЗАБОЯ В УСЛОЕ1ЯХ 11РОСТРАКСТВЕККОГО ВЗАИМОВЛИЯНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

Специальность: 05.15.II - "Физические процессы горного

производства"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук "

Кпмеровэ 1592

Работа выполнена в Института сейсмологии Ali КазССР и Институте угля СО АН СССР.

>

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор B.D.H3/VKC0H; доктор технических наук Л.Ы.ЕРОФЕЕВ; доктор технических наук В.Е.ШРЕЖОВ.

Ведущая организация - Всесоюзный научно-исследовательский институт горной геонвхшшкн и маркшейдерского дела 1ВШМИ),

Защита состоится 1992 г. ъЗ час.

на заседании Специализированного совота Д 003.57.01 при Институте угля СО РАН (650610 г.Кеыерово, ул.Рук&пиш-ннкова, 21, конференцэал).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " AC&PTQ. 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук, j /%, , , , | << • /

профессор . '/' :! 'AVA ^ ,В>.БЫДЫЖНШ

/ / :

. i^-J

ОНЦА.Я ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Дальнейшее ускорение научно-технического прогресса в горной промышленности связано с фундаментальными исследованиями и поиском новых решений прикладных задач по созданию прогрессивных технологий проведения и поддержания выработок. Необходимость таких исследований усиливается устойчивой тенденцией к снижению показателей горнопроходческих работ, главными объективными причинами которой являют' я постоянное увеличение глубины работ, рост напряженного состояния массива, вовлечение в разработку участков месторождений со сложными горногеологическими условиями. Все зто привело к усиливающейся рассогласованности параметров технологии с геомеханическими условиями ведения работ в забое , к активизации проявлений горного давления (особенно динамического типа - внезапных выбросов и горных ударов), к сшкению эффективности буровзрывных работ и другим негативным последствиям.

Известные в геомеханике подходи, как правило, основываются на решениях задач упругости, вяэко-упругости и пластичности о напря-женно-деформировзнном состоянии (НДС) вокруг статически неизменного контура выработок, рассматриваемого чаще всего в плоской постановке, в постоянном полэ напряжений и в достаточно простой схематизации постановки задачи. В то же время наивысшая интенсивность динамических проявлений горного давления в выработках наблюдается в моменты активного изменения напряженного состояния окружающего массива, связанного в подавляющем большинстве случаев с влиянием движущегося забоя. При отом основными признаками движущегося забоя являются скорость подвигания забоя, изменение геометрии забоя в процессе его обработки (создание опережающей выемки или врубовой полости), взаимовлияние двух забоев, сближение забоя с расположенной впереди него неоднородностью (нарушением или пластом), взаимодействие очистного забоя с подготовительными выработками и др.

Поэтому для интенсификации горнопроходческих работ и повьгпения эффективности поддержания выработок необходимо согласовать технологию с геомеханикой в виде выбора геомеханически обоснованных параметров технологии и создания эффективных способов управления горным давлением, базирующихся на знании закономерностей формирования пространственного НДС массива в окрестности движущихся подготовительного и очистного забоев в различных горно-технических ситуациях их работы.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами программ: 0.05,05. "Создать и внедрить комплекс методов и средств прогноза и предотвращения внезапных выбросов угля, породи и газа в .шахтах", утвержденной Постановлением ГКНТ, Госплана и АН СССР № '475/251/131 от 12.12.80 г.; 3.2.1.7 "Разработка теоретических основ прогнозирования горного давления в угольных иахтах" по программе "Сибирь"; "Геомеханическое обоснование новых технологий добычи угля", утвержденной ГКНТ СССР В 158 от 16.04.84 г.

Цель работы - развитие представлений о геомеханических процессах вокруг'горных выработок в окрестности движущегося забоя и reo-механическое обоснование эффективных способов проведения и подцер жания выработок.

Идея рабстн заключается в установлении и использовании особенностей, обусловленных движением забоя, пространственным расположение;,! и взаимным влиянием выработок, в описании НДС массива горних пород.

Задачи исследований:

сформулировать постановку пространственных задач геомехалики, разрабст&тс и развить оффоктпвнке алгоритмы ш: решения для комплекса выработок, Еключаоцегс- подготовительный забой простой и сложной формы, спаренные забои, сабой прй вскрытии нарушения и пласта, очистной забой с прилегающими подготовительными выработками и др.;

разработать и реализовать алгоритм расчета НДС вязко-упругого массива в окрестности движущегося подготовительного забоя с учетом релаксации напряжений и диссипации энергии;

выявить закономерности и динамику изменения НДС массива в окрестности забоя в свете формирования выбросоопасной ситуации, выяснить влияние формы забоя, порядка его обработки и взаимного влияния спаренных забоев на опасность .незагмого выброса;

исследоЕать влияние скорости проведения выработки на опбсность возникновения динамических яатений, сопоставить реологические и релаксационные процессы в массиве в окрестности забоя со скоростью проведения выработки в реальном диапазоне скоростей, дать основы выбора безопасной скорости проходки;

промоделировать геомеханическую ситуацию вскрытия геологического нарушения и угольного пласта выработкой, изучить взаимодействие движущегося забоя и пласта с учетом влияния освобождающегося газа;

установить влияние скорости проходки на поведение пород за забоем, оценить их устойчивость и сделать гссмахаиическое обоснование поэмоетости применения поточной технологии проведения выработок;.

определить влияние НДС впереди забоя на эффективность буровзрывных работ и оптимальные гесмеханичеснке услоэия работы зарядов, изучить механические процессы при образовании в забое Ерубопой полости;

установить влияние разгрузочных целей на повышение устойчивости обнажения, выбрать устойчивуи форму обнажения;

изучить влияние движущегося очистного забоя на подготовительные выработки, установить особенности деформирования пород на сопряжении лава-штрек в свете использования их при поддержании выработок за лавой.

Методы исследований предусматривали расчеты НДС массива и геомеханический анализ различных горно-технических ситуаций, возникают« о окрестности движущегося забоя при проведении и поддержании выработок, и включали в себя:

численную реализацию метода граничных интегральных уравнений по А.Я.Александрову с применением приемов сокращения времени решения задач на ЭВМ (метода Зейделя, уточнения Люстерника, перехода к ленточной матрице) для расчетов упругого НДС в окрестности подготовительного забоя простой и сложной формы, спаренных забоев, забоя при вскрытии нарушения и пласта, очистного забоя с прилегающими подготовительными выработками;

численкуо реализацию на ЭВМ разработанного алгоритма решения пространственной задачи вязко-упругости с использованием положений теории ползучести Ж.С.Ержанова, физических уравнений Больцмана-Во-льтерра и соотношений Г.И.Гуревича для расчетов НДС в окрестности движущегося с определенной скоростью подготовительного забоя, в том числе с учетом релаксации напряжений и диссипации энергии по Надаи;

шахтные эксперименты регистрации ккпульсов акустической эмиссии и замера электросопротивления пород для косвенного анализа НДС реального массива в окрестности забоя;

натурные замеры смещений пород в поддерживаемых выработках.

Основные научные положения, выносимые на защиту: в процессе подвигалия забоя вокруг выработки происходит иер&в-

номерная разгрузка пород от исходного напряженного состояния, когда одна компонента нормальных напряжений снижается гораздо быстрее двух других, что приводит к появлению различных разрушающих эффектов, в том числе и от деформаций растяжения;

пространственное взаимовлияние горных выработок и массива проявляется в виде усложнения характера разгрузки пород и усиления их деформирования в окрестности забоя пси возрастании разрушающих эффектов, которые активизируются в моменты резкого изменения геометрии обнажения;

скорость проведения выработки оказывает существенное влияние на деформационные и релаксационные процессы в окрестности подготовительного забоя, при этом информативным показателем опасности динамического лвлепил может служить отношение между скоростью днссипа« цки и скоростью накопления упругой энергии, с уменьшением которого опасность разрушения возрастает,'на основе чего выбирается безопасная скорость проведения наработки;

пространственное формирование зон деформаций растяжения при прочих равных условиях зависит от соотношения исходных напряжений в массиве, формы забоя и взаимного влияния спаренной выработки л определяет характер деформирования пород, знание которого слуксит основой для эффективного предотвращения газодинамических явлений;

порядок обработки забоя оказывает существенное влияние на разгрузку пород в разных частях призабойного пространства, выбор рационального порядка обработки забоя осноЕан на постепенной разгрузке опасной зоны за счет расположения опережающей выемки в противоположной части забоя;

процесс сближения наработки с геологическим нарушением сопровождается взаимодействием и слиянием зон деформаций растяжения у выработки я у нарушения, нарастание!' плотности энергии формоизменения в растянутой области к повышением опасности разрушения массива в виде внезапного выброса;

при вскрытии угольного пласта выработкой активным элементом является давление освобождающегося газа, которое создает дополнительное давление на породную перемачку, отделяющую пласт от выработки; в завискмости ог крепости пород и начального давления газа разрушение перемычки может происходить при различном расстоянии до пласта;

впереди забсн за счет растяжения пород возникает зона благоприятных условий- разрушения массива вэривсм; глубина этой зоны равна глус&не зони деформаций растяжения и может служить для выбора объ-

ектишой глубин*. шпуров по фактору горнего давления; увязка субъективной (по организационно-техническому фактору) и объективной глубины шпуров осуществляется применением выпуклой формы забоя и реализуется ярусным взрыванием оконтуривающих шпуров;

выбором параметров врубовой полости реализуется принцип контурного взрывания за счет наложения границы зоны растяжения на проектный контур выработки и повышается эффективность работы зарядов в массиве с ярко выраженной трещиноватосты или слоистостью;

эффективное управление состоянием массива вокруг выработок обеспечивается применением геомеханически адаптивных способов, основанных на более равномерной разгрузке пород от их исходного состояния до состояния вокруг выработки; ото достигается: для повышения устойчивости выработки - приданием обнажению выпуклой формы или прорезг,-ии&м щелей по краям обнажения, для снижения удароопасноети - образованием щелей или установкой распорных элементов з направлении максимальных сжимающих напряжений в массиве;

усиление деформирования повторно используемых штракоп за лавами происходит в основном из-за разрушений пород в их почве, которое является следствием обрушений кровли в очистном забое и 'восстанавливает картину симметрии разрушений вокруг плоскости пласта; эффективными направлениями охраны и поддержания выработок являются обрез как кровли, так и почвы вдоль выработки и целенаправленная борьба с пучением.

Достоверность* нвучннх положений подтверждается: необходимым объемом выполненных' в рамках диссертации экспериментальных исследований при проведении и поддержании выработок по пластам К7, Я^ на шахтах "Саранская", им. В. 'Л. Ленина, им. Коп тонко 110 "Карагандауголь", на рудниках Восточного Казахстана и Восточного Саяна с применением современных методов и приборов, а также результатами других исследований в широком диапазоне свойств и условий ;

удовлетворительной (с точностью до Ь%) сходимостью результатов трехмерных расчетов, полученных методом граничных интегральных уравнений, о базовыми решениями теории упругости для вырезов соответствующей формы в плоскости;

качественным соответствием закономерностей НДС массива вокруг выработок результатам оптического моделирования и фактическим данным о проявлении горного давления в виде полостей разрушения, образующихся при знезапньк выбросах, зон трег;:?нообр-зованкя и смешений

пород;

практикой эффекгиБнах-о применения результатов исследований и рекомендаций при проведении выработок по оссбовыбросоопасному пласту ..Д^ V: поддержании выработок ка пластах К^ и К^.

Научная новизна работы заключается в следующем: разработан эффективный алгоритм расчета пространственного НДС методом граничных интегральных уравнений, отличающийся применением эффективных методов сходимости реаения и реализованный для окрестности подготовительного забоя простой к сложной формы, двух различно расположенных подготовительных забоев, забоя выработки вблизи нарушения и пласта, очистного забоя с примыкающими к пеку подготовительными выработками;

разработан алгоритм расчета пространственного НДС вязко-упругого массива в окрестности движущегося забоя, отличающийся учетом истории н&грукения массива в процессе проведения выработки и вычислением фактического напряженного состояния, получаемого сложением деформационного и рэлаксационного процессов с переходом упругих деформаций в деформации ползучести:

установлены закономерности изменения ЦЦС в окрестности одиночного и воаимовлияюцлх спаренных забоев при проведении выработки в массиве с аномалиями напряженного состояния, отличающиеся формированием разрушающих эффектов, в том числе зон деформаций растяжения, знание которых позволяет геомеханически обосновать возникновение выбросоопасной ситуации в забое и разработать эффективные меры предотвращения внезапных выбросов;

обоснована повышенная опасность разрушения пород в динамической форме при по пшенной скорости подвигания забоя, заключающаяся в уменьшении отношении между скоростью диссипации и скоростью накопления 'упругой энергии в призабойной зоне, ка основании чего дани принципы выбора безопасной скорости проведения выработки по киесл-ным характеристикам пород;

выявлены особенности взаимодействия приближающегося забоя и геологического нарушения, отличительной чертой которых является существование зоны деформаций растяжения у нарушения, которая 'при приближении забоя сливается с зоной растяжения у выработки с нарастанием плотности энергии формоизменения и повьшением опасности разрушения в виде внезапного выброса;

установлена механика формирования выбросоопасной ситуации при вскрытии д:аста выработкой, отличительной чертой которой является

прирост давления ка породную перемычку, отделяющую пласт от выработки, за счет несчижения общего напряженного состояния пласта; вследствие десорбцконных процессов, протекающих а нем;

выявлены особенности формирования зоны неупругих деформаций позади забоя, отличительной чертой которых является полная диссипация упругой энергии массива, происходящая на некотором удалении от забоя, зависящем от скорости проведения выработки; даны принципы выбора минимально допустимой скорости, обеспечивающей применение поточной технологии в забое;

предложен и обоснован критерий выбора глубины шпуров, отличающийся учетом наиболее благоприятных условий разрушения массива впереди забоя, возникающих з зоне деформаций растяжения; доказана возможность увязки данной глубины с необходимой глубиной шпуров, выбранной по организационно-техническому фактору, путем формирования выпуклой формы забоя с ярусным взрыванием сконтурившощих шпуров;

разработана концепция повкленил устойчивости кентура сьфаботок. отличающаяся приданием обнажению нетрадиционной выпуклой формы, которая эквивалентна прорезанию щелей по краям обнажаемого участка, при отом управление состоянием массива обеспечивается увеличением объема зон возможных разрушений и снижением концентрации разрушающих напряжений к деформаций в них;

установлены законо«эрности изменения НДС в окрестности поддерживаемых за лавой выемочных штреков, отличительной чертой которых является усиление разрушающих аффектов в почве штреков при обрушении пород кровли в лаве, что объясняется достижением симметрии разрушений вокруг центральной плоскости пласта; обоснована возможность эффективной охраны и поддержания штреков за лавой путем обреза кровли и почвы вдоль штреков и целенаправленной борьбы с пучением;

созданы новые способы управления состоянием массива при проведении я поддержании выработок, синтезирующие разработанные научные положения и защищенные авторскими свидетельствами на изобретения.

Личный вклад автора состоит:

з формулировке задач, разработке и развитии алгоритма их упругого решения методом граничных интегральных уравнений с использованием численной реализации А.Я.Александрова и приемов сокращения времени решения задач на ЭВМ;

в изучении и теоретическом обобщении закономерностей формирования пространственного НДС массива в окрестности одиночного подготовительного забоя простой и сложной формы, спаренных забоев , забоя

о

вблизи угольного пласта и нарушения, сопряжения очистного забоя с подготовительными выработками;

в выявлении особенностей, связанных с образованием и развитием зон деформаций растяжения, в процессе формирования выбросоопасной ситуации в одиночном забое и обосновании защитного эффекта спаренных забоев;

в установлении характера разгрузки пород при различной форме забоя и обосновании рационального порадка обр ботки забоя, учитывающего вкбросоопасность массива;

в выявлении особенностей геомеханического состояния подготовительного забоя при вскрытии им геологического нарушения и угольного пласта;

в разработке алгоритма расчета НДС вязко-упругого массива с окрестности движущегося забоя с учетом релаксации напряжений и диссипации энергия;

в обосновании влияния скорости проведения выработки на возникновение динамических явлений в забое и разработке основ выбора безо» пасной скорости внедрения ь массив; •

е разработке геомеханических принципов эффективной работы шпуровых зарядов по зоне деформаций растяжения впереди забоя и обосновании формы вруб1 при проведении выработок буровзрывным способом;

в установлении влияния формы обнажения на НДС пород и обосновании эффективности выпуклой формы;

в формулировке геомеханических.принципов охраны и поддержания выработок за лавой;

в разработке новых способов управления состоянием массива при проведении и поддержании выработок, основанных на более равномерной разгрузке пород и создании благоприятных условий работы массива путем буре..ия скважин, перехода на рациональную форму контура, целеобразования, установки распорных элементов и др.

Практическое значение работы. Результаты выполненных исследований г.озво. лют:

существенно расширить возможности решения пространственных задач геомеханики счет разработки и реализации эффективных алгоритмов расчета НДС в окрестности движущегося забоя;

получить подробное описание пространственной картины НДР вс.;руг подготовительного забоя в различных горно-технических ситуациях его работы и очистного забоя с прилегающими подготовительными выработками;

?

устанавливать участки пород, потенциально опасные по внезапным выбросам, выбирать рациональк Я порядок обработки забоя и расположения спаренных выработок в зависимости от услови.1 выбросоопаснос-тн;

получить описание деформационного и релаксационного процессов окрестности движущегося забоя в зависимости от скорости проведения выработки и свойств пород;

выбирать скорость проведения выработки, обеспечивающую управляемое поведение массива в свете предотвращения динамических явлений и переходя на поточную технологию проходки;

обеспечивать оптимальные геомеханические условия работы шпуровых зарядов впереди забоя за счет выбора глубины шпуров и размеров вруба;

устанавливать связь между геомеханикой сопряжений лава-штрек и параметрами движения очистного забоя в свете эффективного поддержания выряботок за лавой;

разрабатывать новые способы управления горным давлением при проведении и- поддержании выг гботон.

Результаты работы реализованы путем:

внедрения на шахте "Саранская" способов поддержания повторно йецодьауемъЕ. выработок а лавах 41 К^д-З, 52 К^-В, 42 К^-3, 51 К^-З, 51 К^-3, с использованием которых было поддержано Я,о км вдтреков и за счет снижения затрат на поддержание по: .учен фактический экономический эффект р размере 580 тыс.руб (доля личного участия автора - 50%);

внедрения на шахтах И0 "Карагандауголь" а.с. £ 96Р162, с испо-дьзованием которого в 1981-83 гг. быль пройдено 9,5 км выработок В за счет увеличения средней скорости проходки получен фактический экономический эффект в размере 450 тыс.руб (доля личного участия аатора - 10%);

передачи программы расчета пространственного напряженно-деформированного состояния массива в окрестности подготовительного забоя вблизи геологического нарушения в Вашкирский государственный университет, с помощью которой проведены исследования и получен экономический эффект в размере 217 тыс.руб;

. использования в учебном процессе включением материалов в учебное пособие: "Управление состоянием массива горных пород, ^асть 1У. - Караганда: КарШ, ГЛ'2".

П

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и получили положительную оценку на I, 1У и П Всесоюзных семинарах "Аналитические методы и применение ЭШ в механике горных пород" (Новосибирск, 1980, 1932 , 399]), на УН, УШ a IX Всесоюзных конференциях по механике горных пород (Днепропетровск, 1981, Тбилиси, 1985, Фрунзе, 1969), на УД, IX, X, XI и ХП Всесоюзных семинарах по исследование горного давления и охране капитальных и подготовительных выработок (Владивосток, 1980, Кемерово, 1964, 1986, Фрунзе, 1988, Алма-Ата, 1990), на VII Всесоюзной конференции "Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов" (Москва, 1981), на II Всесоюзной конференции "Проблемы механики подземных сооружений" (Тула, I9Ü2), на всесоюзном совещании "Вопросы разработки технологических процессов и технических средств для подземной добычи угля в сложных горьо-геологичзских условиях" (Донецк, 198b), на конференции "ЭВМ и науки о Земле" (Новосибирск, 1986), на XI Всесоюзном семинаре по,измерению напряжений в массиве горных пород (Новосибирск, 1990).

Публикации. Основные результаты .работы опубликованы в 50 печатных трудах, эключая 2 монографии и 20 авторских свидетельств на изобретения.

Объам работы. Диссертационная работа состоит из введения, 9 VJ¡a.B, заключения, спискя литературы из 200 наименований, приложений и содержит 335 страниц машинописного текста, в той числе 124 рисунка.

Absqp выряжает искрению» признательность и благодарность цлену-коррэспонденту АН СССР Г.И.Грицко, академику АН КазССР Ж.О.Еркано-ву, яроф. Ю.А.Векслеру, доц. С.В.Колоколову, кандидатам технических наук А.АДцанккиу, Ю.Ы.Бирокову, Б.&.Киму и другим за участие и помощь в процессе выполнения работы, ценные советы и критическиэ замечания в процессе поедог'ааяеник ее к звсктв.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Проблема повышения зф&ективности проведения и поддержания выработок п условиях динамических проявлении горного давления и кути ее решения, Повышение эффективности проведения и поддержания горных выработок основывается на учете НДС массива и нейтрализации негативных проявлений горного давления, обеспечивает своевременное вскрытие и подготовку запасов и относится к основным проблемам, без решения которых невозможен переход шахт на новый технико-экономический уровень.

Значительный вклад в решение вопросов геомеханического обоснования параметров технологии подземной разработки внесли крупные советские ученые С.Г.Авергаин, Ш.М.Айталнев, И.Т.Айтматов, К.А.Ар-дшпев, И.В.Баклашоэ, С.А.Батугин, Я.А.Бич, А.А.Борисов, Ю.А.Векс-лер, В.Н.Вылегканкн; Г.И.Грицко, П.В.Егоров, Ж.С.Ержаноз, В.Ю.Иза-ксон, Г.Л.Катков, Г.И.Кулаков, С.В.Кузнецов, С.Т.Кузнецов, М.В.Ку-рленя, Ю.М.Либермая, A.M.Линьков, В.Е.Миренков, И,М.Петухов, А Ревуженко, В.В.Рж.эвский, И.А.Турчанинов, О.И.Чернов, ГЛ.Фисенко, Е.И.Шемякин, в.М.Шик, В.С.Ямщиков и др.'Работами этих ученых создана база 'для формирования полых направлений в области управления горным давлением при проведении и поддержании выработок. В то же время нельзя не отметить, что, как правило, эти исследования основываются на изучении НДС Еокруг статически неизменного контура выработок и поэтому не дают пока законченного описания геомеханических процессов, протекающих в массиве. Тогда как известно, что любой участок подготовительной выработки имеет ярко выраженные периоды интенсивных проявлений горного давления, которые сопряжены с активными изменениями напряженного состояния окружающего массива и связаны в основном с влиянием движущегося забоя. Сначала это влияние собственного забоя в момент проведения выработки, когда происходят внезапные выбросы и горные удары. Затем это взечмодействие с движущимся очистным забоем, когда по мере отработки лавы выработка активно деформируется в зоне опорного давления. И, наконец, наибольший интерес представляет бесцеликовая технология, при которой выработка не погашается за лавой, а после повторного использования в третий раз подвергается влиянию движущегося забоя.

Подавляющее число внезапных выбросов приходится на подготовительные забои. Обоснование решающей рели НДС: в развязывании С инициировании) выброса посвятили свои труды С.А.Хрястианоэич,

дот, А.Н.Зорин, Б. £1.'Иванов, С.В.Кузнецов, А.М.Линьков, В.И.Мурь.-шев, В.И.Николин, А.'Э.'йёВросш, И.М.Петухов и др. Однако в зги* исследованиях отсутствует исходное НДС, возникающее в окрестности подготовительного-забоя, и в результате не описана механика подготовки выброса в свете особенностей НДС движущегося забоя и его изменений в различных горно-технических ситуациях.

И- чисто объективных аспектов низкой скорости проведения выработок следует выделить проблемы крепления в забое и высоких непроизводительных затрат времени при выполнении операций проходческого цикла, которые устраняются чри переходе на поточную технологию, требующую надёжного геомех;_шческого обоснования. Проходка выработок буровзрывным способом дополняется проблемами низкой эффективности действия взрыва и низкого коэффициента и-пользованин шпуров, решение которых невозможно без учета такого важного объективного фактора, каким является НДС в месте взрыва.

Сокращение темпов и объемов проведения выработок резко обозначило проблемы отставания реконструкции шахт и нехватки очистного фронта. В условиях дефицита проходки пластовых выработок угольные шахты были вынуждены i преходить на бесцеликовую технологию, позво ляющую на 40-50$ сократить объемы подготовки. Однако при этом воз-. никли существенные проблемы с поддержанием выработок при их повторном использоьании. Решению их посвятили свои исследования Н.П.Ба-жин, А.Ф.Бахтин, Ю.И.Бурчаков, В.А.Бессонников, Р.И.Григорьев, A.C. Диманшгейн, Н.П.Калиниченко, В.К.Костенко, К.В.Кошелев, С.Т.Кузнецов, В.Г.Лукашов, Е.А.Мельников, М.В.Москаленко, А.В.Мысии, Бл(. Норель, И.ф.Потап"ин, А.Л.Селезель, i/.А.Сребный, А.Г.Томасов, И.Л. Черняк, Г.Г.Штумпф и др. Эти работы наталкивают на связь проявлений 'горного давления на сопряжении лава-штрек и в поддерживаемой выработка с параметрами движущегося очистного забоя, главными из которых являются зависания пород основной кровли и периодичность их обрушения. Кроме того, ряд работ указывает на интенсивное пуче-нг^ в поддерживаема выработках.

Таким образом, описание аакономгрностг1 изменения механического состояния массива и изучение причин проявлений горного давления при взаимодействии участка выработки с движущимся з-боем является базой для решения проблемы повынения эффективности проведения 'Vi поддержания ' jpa6ü/OK в условиях динамичес их проявлений горного д апения. Основными путями решения этой проблемы являются: расчет НДС массива б окрестности движущгхся подготовительного и очистного

забоев; изучение влияние формы забоя и порядка его обработки на выбросоопасность; раскрытие с^цности формирования выбросоопасной ситуации при подходе забоя к геологическому нарушению и угольному пласту; исследование влияния скорости проведения выработки; геоме-хаиическое обоснование поточной технологии; изучение влияния НДС на эффективность работы зарядов; увязка в едином геомеханическом подходе подготовительных и очистных работ с выяснением влияния движущегося .очистного забоя на подготовительные выработки; разработка эффективных способов управления состоянием массива при проведении и поддержании выработок.

Расчет пространственного напряженно-деформированного состояния массива в окрестности движущегося подготовительного забоя. Расчет НДС массива в окрестности подготовительного забоя должен быть осуществлен в пространственной постановке, что определяет главные трудности. Применение -для эти целей аналитических методов (В.З. Васильев, В.Е.Миренков, В.Н.Цыцаркин, М.Ш.Штейн) не дает полной картины НДС. Более перспективны численные методы СЛ.Н Гузь, 11.В. Коханенко) и, в частности, метод граничных интегральных уравнений. (В.Ю.Изаксон, А.Р.Курлаев, В.И.Машуков, Г.Хокинг). Решение может быть проведено в упругой постановке (Г.И.Грицко, М.В.Курленя, И.М. Петухов), т.к. проявления неупругих свойств пород и разрушения в забое менее выражены.

Рассматривается упругий изотропный массив, вмещающий горную выработку квадратного поперечного сечения со стороной ОС (рис.1,а). Забой выработки может быть как плоским, так и иметь опережающую выемку. Длина выработки, учитывая, что это полость, ограничена и равна £ . Массив нагружен на бесконечности сжимающие: напряжениями: (3^= & = Х^Н » ^ = ¡¡Н , где Я - коэффициент бокового давления, ^ - объемный вес пород, И - глубина заложения выработки. Выработка полагается незакрепленной.

Для определения НДС в окрестности выработки применен метод граничных интегральных уравнений в интерпретации А.Я.Александрова, когда поверхность полости аппроксимируется набором плоских, участков, в середине которых приложены "фиктивные" нагрузки - сосредоточенные силы , (}■ , 7? . Задача сводится к отысканию значений сил1 удовлетворяющих граничным условиям на поверхности полости. Искомые значения определяются из решения системы алгебраических уравнений, точное решение которой затруднено. Поэтому использога-ны итерационные методы: метод простых итераций, метод ЗеРделя,

переход к ленточной матрице. Показано, что простые итерации сходятся за IC-I5 приближений при погрешности менее 1%. Применение метода 3виделя улучшает сходимость и сокращает число.итераций до б-8. Но наибольший эффект дает.переход от полноэалолненной матрицы к ленточной, когда в расчетах учитываются: только близлежащие узлы в радиусе не дальше 2СС. При этом время решения сокращается i 5-IC раз. Для оценки точности расчетов сопоставлены напряжения в срединном сечении выработки с решением плоской задачи. Установлено, что при длине выработки /¿4-6CL расхокденио между плоским и объемным решениями не превышает Ь%. Начиная с этой длины НДС у торца полости можно использовать для установления геомеханики забоя.

Решение зада-и для движущегося забоя (рис.1,6) основывается на Фиксировании изменений НДС в тоши А массива при приближении забоя и проводится шагами по вре !ени. Физическое уравнение состояния вязко-упругого массива представляется в в.je интегрального уравнения оольцмана Вольтерра ^

a(t) = -i[eft) + $L(t-T)o(T)c/r]. • (i) о

лдро ползучести, согласно данным Й.С.Ержанова, принято по Абелю

а связь между напряжениями и деформациями - по Г.И.Гуревичу. История нагруления (ЗСТ) определяется изменением напряженного состояния: за счет последовательной смены статических положений забоя. Вычисление идет по дополнительным напряжениям, начало отсчета выбрано на расстоянии 2О, впереди забоя. Расчеты на ползучесть осуществлены при различной скорости проведения выработки.

Геомеханика подготовительного забоя. Результаты расчетов показали, что напряженное состояние в окрестности подготовительного забоя характеризуется неравнокошонентным сжатием. При э^м возле каждой плоскости обнажения одна компонента норугльных напряжений (радиальная) снижается, а две другие (тангенциальные) увеличиваются. В местах наибольшего иеравнокомпонентного сжатия появляются деформации растяжения: впереди забоя формируется зона <£^> О (рис. 2,а), т.е. породы здесь подвергаются растяжении в направлении оси выработки, а в кровле формируется зона вертикальных деформаций растяжения Е2 > 0. Изучено влияние коэффициента бокового давления: при I .(случай повшенгого вертикального давления) увеличивается зона растяжения £у> 0 впереди забоя, а при .Я > I (случай повы-иенного бокового давления) увеличивается зона растяжения ¿2>0 в кровле выработки. Кроме того, при Л ^ I в диагональном напра: ле-нии формируемся дополнительная область максимальных деформаций растяжения (рис.2,б) в форме ядра, отделенного сжатой перемычкой.

Деформации растяжения являются причиной разрушенит пород (О.А. Векслер, Т.Р.Стасей, И.Д.Чертяк, Е.И.Шемякин), если они достигают критических величин. При этом появление деформаций растяжения возможно в поле действия всех трех сжимающих напряжений, если

М^ + 62)>63 . (3)

Экспериментальные исследования локации очагов акустической, эмиссии (АЭ) при проведении выработок на шахте "Саранская" показали, что источники АЭ (возникающие трещины) располагаются по границе зон деформаций

растяжения, полученных расчетным путем. Это позволяет сделать вывод, что растрескивание массива' происходит при переходя пород кз сжатого деформированного состояния в растянутое и срабатывании критерия типа (3).

При проведении выработки по угольному пласту развитие трещин происходит на фоне десорбции газа, за счет которой подц«р^чвя«?г'V давление газа в трещинах СО.Ф.Коваленко). Это касястсл трехи!',

параллельных оьнажению и наиболее опасным пс внезапным выбросам. Местоположение т^-гсих трещин соответствует зонам растяжения (рис.2), причем наиболее опасной будет ситуация, когда в зону растяжения попадает перемятая пачка пласта, в которой усиливается трещинооб-раэование. Выход в этой ситуации - уменьшение даг-ения г^за в опасной зоне, что достигается бурением туда скважин. При этом знание осоОенкост "I фондировании зон деформацнГ: растяжения и положения перемятой пачки позволяет выбрать эффективные параметры бурения

газодренажных скважин, например, как нами это было сделано на шахте им.В.И.Ленина, когда для борьбы с внезапными поддутиями почвы было предложено бурение скважин в почву впереди забоя (а.с.966462).

Анализ НДС в окрестности забоя сложной формы показап, что в процессе образования опережающей выемки в верхней части забоя вертикальные напряжения претерпевают существенные изменения лишь в кровле выработки, а в почве и ьпереди забоя их изменения незначительны. При этом п кровле наблюдается резкая разгрузка от напряжений и появляются деформации растяжения. Аналогично, при образовании выемки в нижней части забоя существенные изменения происходят лишь в почве. Сказанное положено в основу выбора рационального порядка обработки забоя. Так, обращаясь к опыту проведения выработок по пласту Д^ на шахте им.В,И.Ленина, было предложено зарубку рабочего органа комбайна производить в зерхнсй части забоя и обработку его вести.горизонтальными резами сверху вниз, постепенно разгружая выбросоопаснуга пачку в почве пласта.

Произведен расчет взаимного расположения спаренных выработок на выбросоопасных пластах. Изучено влияние расстояния между выработками, разброса их по высоте, опережения одного забоя другим. Показано, что ситуация в опережающем забое адекватна одиночному проведению выработки. Защитные эффекты проявляются только в отстающем забое. При этом максимально возможный защитный оффект имеет место при расположении отстающей выработки ниже опережающей и величине опережения между забоями не менее 2,5PL. В этом случае в окрестности отстающего забоя нэ происходит формирования дополнительной области деформаций растяжения (рис.2,б), что снижает опасность внезапного выброса.

Для выяснения роли скорости проведения выработки в развязывании динамического явления моделировался процесс подвигания забоя в породах с различными реологическими свойствами. Скорость варьировалась в интервале 0,1 6 10 м/ч. Расчеты подтвердили, что с уменьшением скорости проведения выработки возрастают деформации ползучести (по своей природе деформации растяжения) в направлениях, ортогональных контурной поверхности забоя. При этом в крозле увеличиваются вертикальные деформации ползучести, а впереди забоя -горизонтальные. Сильная зависимость между деформациями ползучести и скоростью проведения выработки обнаруживается при ¡ГЁ I м/ч, т.е. реологические овойстза пород ярке проявляется при реальных скоростях проведения выработки.

Известно, что в реальном массиве наряду с ползучесть» пород происходит и релаксация напряжений. Для описания "сложения" этих процессов предложен подход, учитывающий расслабление массива из-за его неупругого деформирования. Согласно ему предусмотрен переход упругой деформации в деформацию ползучести с последующие выделением оставшейся упругой деформации и восстановлением по нгй картины фактического напряженного состояния. Анализ упругой энергии формоизменения, Еычнсленной по фактическим напряжениям, показывает, что эта энергия существенно меньше исходной. Разница между ними тем больше, чем слабее порода и меньше скорость проведения выработки. Причем в кровле призабойного пространства плотность энергии достигает максимума, одинакового практически для всех типов пород, а затем снижается. Наличием максимума энергии здесь и объясняется формирование выбросоопасной ситуации.

Однако, строго говоря, диссипацию упругой энергии можно вычислить по Надаи. Скорость диссипации при этом зависит от напряженного состояния и скорости неупругой деформации

Сравнение скорости диссипации со сьоростья накопления упругой энергии формоизменения (рис.3) показывает, что последняя имеет максимум в призабойном пространстве (кривая I), величина которого не зависит от типа, породы, тогда как скорость диссипации, также имея максимум, существенно зависит от типа пород - - более слабых породах она вше (например, кривая 4 для угля). Непосредственно над забоем скорость накопления упругой энергии значительно превышает скорость ее диссипации для всех пород. Превышение скорости накопления энергии над скоростью ее диссипации говорит о том, что за какой-то отрезок времени в массиве накопилось энергии больше, чем освободилось, что свидетельствует об опасности бурного разрушения. 11о~видимому, отношение между скоростью ¿иссша1^и_и_ско£осты)_ма-копрения, назызаемое коэффициентом характера разруления

будет определять характер и форму разрушения пород: чем этот коэффициент меньше, тем в более динамической форме будет протекать процесс разрушения. Отношение для точек призабойного пространства будет меняться не тольис? для разных типов пород (параметр ¿У ), но и для разной скорости ¿Г подвиглния забоя. На основании чего

аг

20 10

Рис.3. Распределение' скоростей накопления (I) и диссипации (И-4) энергии в кровле при проведении выработки в песчанике

(2), аргиллите (3) и угле (4)

(Г

построены расчетные зависимости ¡Удля набора значений Кр , положенные и основу выбора безопа£ной_ско£ости проведения выработки. Зная тип пород и задавая величину Кр , можно найти скорость проведения выработки СГкр , при которой будут иметь место разрушения пород в заданной форме. При это« проектная скорость проведения выработки должна выбираться из условия

(6)

Взаимодействие забоя с геологическим нарушением и механика вскрытия угольного пласта. В плане изучения особенностей формирования выбросоопасности при проведении выработки в неоднородном массиве рассмотрены две наиболее характерные ситуации: приближение забоя к геологическому нарушению и вскрытие им угольного пласта. Согласно представлениям М.В.Гзовского, в качестве модели нарушения использован участок плоскости впереди забоя, на котором приложены касатольныя усилия, имятируиаие силы трения по контакту блоков дизишктивного наруиення (типа сброс или взброс).

Показано, что при достаточно больном расстоянии до нарушения взаимное влияние еьработки и нарушения отсутствует. 3 окрястности

г:

Рис.4. Процесс слияния оон растяжения при подходе вь'оаСогки к геологическому нарушению (сбросу)

забоя формируются зоны деформаций растяжения, и вдоль нарушгния возникает зона растяжения, направление растяжения и размеры которой определяются коэффициентом трения по контакту блоков и видом нарушения (направлением касательных сил). При приближении забои к нарушен'/¡о зоны растяжения начинают взаимодействовать друг с другом и, наконец, сливаются, образуя одну обширную растянутую область: у сброса - в кровле выработки, у взброса -впереди забоя. Особо следует проследить момент слияния зон растяжения (рис.4). До определенного момента (положения забоя 1,11,Ш) зоны . растяжения увеличиваются в объеме незначительно и остаются разделенными сжатой перемычкой. Затем при небольшом подвигании забоя (в положение 1У) происходит импульсное слияние зон и в растянутое состояние мгновенно переходит большой объем пород над забоем, что сопровождается их растрескиванием и созданием выбросоопасцой ситуации. Характерно, что после слияния зон в растянутой области быстро нарастает плотность упругой энергии формоизменения, дополнительно свидетельствующая о повыненной опасности разрушения. Причем

при разрушении эта. энергия в сумме с энергией сжатого газ?, может мгнсьеньу гысвибождаться, приводя к бурному разрушению и совершая работу по транспортированию угля.

Наличие двух оси растяжения (разрушения) пород у забоя и нарушения подтверждается данными локации очагов АЗ. Исследовано влияние угла падения нарушения и установлено, что приближенна к сбросу наиболее опасно при углах эго падения от 45 до 90е, а к нгбро-су - при углах от 0 до 4э°. Таким образом, угол 45° одчнаково опасен при разных типах нарушения.

Расчетная схема задачи о сокрытии угольного пласта включала ту лп двухсвязную область, что и для нарушения. Только з этом случае по участку плоскости задавались не касательные, а нормальные напряжения, характеризующие давление газа в пласте. Предполагалось, что при приближении выработки общее наряженное состояние пласта за счет десорбции и возрастающего давления газа не меняется (давление гаэа равно снимаемы.! напряжениям в пласте). Это приводит к тому, что породная перемычка, отделяющая пласт от выработка, подвергается возрастающему даатешщ со стороны пласта и ее напряженное состояние меняется в сторону усиления разрушавших зфбоктов, которые оценивались параметром разрушения

При достижении параметров разрушения прочности породы на разрыв происходит разрушение перемычки ь виде выдавливания. В этот момент резко иэнамаятся пласт и с его поверхности стартует волна послойного разрушения Ш.М.Петухов, А. М. Линьков), т.е. происходит внезапный выброс. Критических значений [б~] достигает при подходе к пласту на расстояние порядка размера поперечного сечения.

Исследовало злилние аномалий напряженного состояния пласта за счет высокого начального -дасления газа. В этом случае разрушение эффекты усеиваются, и разрушение перемычки может происходить при болызих ее размерах*. Варьирование угла падения пласта привело к • выводу, что наименее опасным можно считать вскрытие пластов с углами падения 45-60°.

Расчеты подтвердили, что эффективную борьбу С выбросами при вскрытии пластов необходимо вести за счет усиленной дегазации участка пласта в месте вскрытия. При этом параметры дегазационных скважин (их длина и расположение) должны вьбирагься по зоне юз-ме;шьк разрушений в пласте, а расстояние, с которого следует нячи-

н&ть дегазацию, должно несколько превышать опасный размер перемычки, определяемый по оценкам величин параметра разрушения с учетом давлении газа и прочности породы, по которой выработка подходит к пласту.

Геомеханика подготовительного забоя и устойчивость выработки. Подвкг&ние забоя оказывает влияние не только на динамическое поведение пород в приаабойном пространстве, но и на статику их поведения вне контура выработки, что важно для обеспечения устойчивости ее при эксплуатации. При атом форма забоя, а именно создание опе-реу.ажщей выемки, приводит к перераспределению напряжений вокруг забоя и изменению условий работы пород при переходе их из положения впереди эебок в положение позади него. Установлено, что более рациональна вогнутая форма забоя (с опережающей выемкой п центре), обеспечивающая более равномерную разгрузку пород, а значит и большую их устойчивость.

Позади забоя происходит развитие пластической области или зоны неупругих деформаций (ЗИД). Как известно из практики, эта зона обрадуется не сразу от забоя, а на некотором удалении от него, что позволяет вынести место возведения постоянной крепи из забоя и перейти не. поточную технологию проходки. Однако эта технология тре-буот надежного геомеханического обоснования, для чего била рассмотрена вязко-упругая задача для движущегося забоя. Оценка устойчивости участка массива после отхода от него забоя произведена на основе анализа энергетического баляанса в горних породах. .При этом плотность оставшейся в результате релаксационных процессов упругой энергии определялась из выражения

где ИУН - плотность накопленной упругой энергии формоизменения; (■0^ - плотность диссипированной энергии. Последняя находилась интегрированием, зависимости (4) скорости ее изменения во времени. Рассматривая изменение накопленной (кривая I) и оставшейся упругой энергии в кровле вдоль выработки (рис,5) видим, что осташаяся упругая энергия имеет максимум в приэабойном пространстве и по мере удаления от забоя убывает. Прячем убывает она тем быстрее, чем меньше скорость проведения выработки, и на каком-то удалении от забоя ^.оставшаяся упругал энергия обргщается в нуль, т.е. вся накопленная энергия диссипируегся. Это будет означать, что упругость в породах полностью рассеивается и они переходят в пласти-

Рис.5. Изменение накопленной (I) и оставшейся (2-7) уг.ругсп энергии в кровле выработки в зависимости от скорости се проведения

ческое (разрушенное) состояние. На основе приведенных соображений предложен критерий образования ЗВД в виде

аге = о

Удаление от забоя места, где это происходит, как видно из рис.о, увеличивается с ростом скорости проведения выработки. Обобщенные зависимости для разных типов псрод сведены в номограмму,

позволяющую при заданном отставании места ьозведения постоянной крепи от забоя определить укнимально_допустимуи скорость проведения йьработки, обеспечивающую развитие ЗНД на расстоянии £ , Действительная же скорость может быть определена из условия

г* сгд . ао)

Однако нельзя забывать и о динамическом разрушении пород. Поэтому условие (10) следует совместить с условием Сб), тогда проектная скорость будет лежать в интервале

(II)

Это обеспечит одновременно и повышение устойчивости выработки и предотвращение динамических явлений в забое.

Оптимальный геомеханаческкй режим б.уровзривнш^работ. На основе анализа НДС впереди забоя и учета условий работы зарядов предложено выбор глубина шпуров производить по глубине зоны деформаций растяжения, При этом будут созданы благоприятные условия для разрушения массива комплектом шпуроа без "зажима" их торцэвой части. Получены зависимости глубины зоны растяжения /_,р от размеров попе' речного сечения выработки и вида напряженного состояния, которые можно использовать при выборе объективной глубины шпуров по фактору горного давления, Например, при .Я =1 ¿р - 0,65В , где 6 -меньший размер (ширина изи высота) сечения выработки. Обследование эффективности взрыва на рудниках Восточного Казахстана (В.Я.. Шапиро) подтвердило устойчивуо сьязь между расчетной глубиной зоны растяжения и предельной глубиной шпур.сп, обеспечивающей надежный отрыв в забсе без специальных мероприятий.

Одизко объективная глубина шпуров не ункзыпается с субъективной (по организационно-техническому фактору), учитывающей технические возможности оборудования и рациональную организацию труда. Последняя, как правило, значительно шуе. Отсюда и снижение эффективности взрыва при гроходке, резко проявляющееся при росте напряженного состояния массива. Увязка этих двух подходов при обеспечении накьысшай эффективности работ проходческого цикла может бить достигнута только увеличением объективной глубины шпуров, что связано с увеличением глубины зоны растяжения. Последнее обеспечивается как чисто силовш воздействием - например, установкой анкеров в забое (а.с. 1Г/3821, 1202319), так и изменением геометрии забоя - приданием ему выпуклой формы (а.о. 13У3894). Однако наибольший эффект получается при формировании промежуточной выпуклой формы забоя в процессе взрыва зарядов - ярусным взрыванием оконту-ривагацих шпуров. При этом заряд оконтуривающего шпура разделяется На две части, первая оканчивается на глубине от устья

и отделяется от второй акустически инертной забойкой. Этот ярус и взрывается первым с образованием по периметру забоя сплошной ¡цели и переносом границы зоны растяжения на концы шпуров. Затем последовательно взрываются остальные заряды, но уже в условиях растяжения по всей их длине. '

Расчет НДС в окрестности забоя сложной формы позволил изучить влияние образования врубовой полости на изменение зон деформаций

растяжения. Упор делался на изучение мест формирования и направления действия максимальных деформаций растяжения в предположении, что развитие трещин, ортогональное этим деформациям, есть технологическая трещкноиатость. Установлено, что при образовании врубовой полости наблюдается рост зоны растяжения впереди забоя и вместе с тем изменение направления технологической трещнноватости. Причем размер зоны растяжения зависит от размеров врубовой полости и у какой-либо ее боковой грани определяется лишь линейными размерами этой грани (главки.! образом, меньшим). Используя полученные результаты, подбираются размеры врубовой полости, при которых граница зоны растяжения впереди забоя накладывается на проектный контур выработки. Тем сиы! реализуется принцип контурного взрывания при условии одновременного взрыва всех остальных нпуров (а.с.1266279).

Смещение врубовой полости относительно центральной оси выработки изменяет направление технологической трещиноватости и формирует в каждом конкретном- случае преимущественное направление, зависящее от глубины вруба. Используя эти зависимости подиираются параметры вруба (расположение в забое и глубина) для согласования технологической и естественной трещиноватости с тем, чтобы эффективность работы зарядов была максимальной.

Управление горным давлением 1 при проведении Еыработок. В плане упрагления состоянием массива перспективным представляется вопрос о рациональной форме обнажения, который был исследован на примере плоской задачи для выработки с различной формой подошвы. Анализировалось состояние пород в почве, дл,. чего применен критерий Кулона-Мора, в котором разрушениг определяется величиной параметра разрушения

л"=/г/ - , (13)

имеющей место на опасной площадке. Установлено, что в отличие от вогнутой формы (рис.6, кривая I) плоская (кривая 2) и выпукла« (кривая 3) вызываю? сдвиг наибольшего значения параметр* К от контура в глубь массива. Дальнейшее увеличение выпуклости почвы (кривые 4 и 5) уменьшает К по величине и одновременно сдвигает максимум дальше в массив. При этом применение вместо обратного свода выпуклой формы подошвы с высотой выпуклости Н=&/2 уменьшает параметр К , характеризующий склонность пород к разоуи.лнию, в 3 раза. Таким обряээм, выпуклая форма обня> нич существенно снижает разругавший адфэкты при условии, что г 'сота шпуклости не

менее половины ширины обнажения. Предусмотрена и обоснована возможность эквивалентной замены выпуклой формы обнажения плоской, но со щелями jio бокам на глубину h .

Сформулирована концепция управления состоянием массива, -заклинающаяся в более равномерной разгрузке пород и недопущении их разрешения за счет перехода на рациональную форму контура. Концепция строится на том, что объем зон возможного разрушения не зависит от уровт напряжений в массиве, а определяется формой контура и видом напряженного состояния. С ростом ^Н меняются только величины "разрушающих" напряжений и деформаций в пределах объема зон возможного разрушения. При прочих равных условиях этот объем меньше у вогнутого контура и больше у выпуклого. Однако плотность рас-прйделения "разрушающих" напряжений и деформаций, наоборот, выше у вогнутого контура и ниже у выпуклого при сохранении примерно равного интеграле этих величин в пределах всей зоны. Это дает возмож-

ность варьированием геометрии обнажения так перераспределять энергию массива, чтобы вызвать минимальные разрушения. В частности, это связано с переходом к выпуклой форме обнажения, которую следует формировать до разрушения пород, т.е. непосредственно в забое.

В рамках изложенной концепции исследованы различные варианты разгрузки контура путем щелесбразованип при проведении выработок в удброспасных условиях. Установлено, что традиционная разгрузка пород в очаге хрупкого разрушения (щели, перпендикулярные ) пошЁИает опасность инициирования динамического явления в момент разх'рузочных работ и может приводить к восстановления удароопасно-сти. В то же время нетрадиционная разгрузка (щелк вдольприводят к более равномерному нагруженигэ боков и кровли выработки, уменьшает опасность динамического явления при ее проведении и по своему геомеханическому эффекту адекватна вытянутому контуру выработки едоль Е^тагд. • Результаты экспериментальных исследований замеров электросопротивления пород при различных вариантах щелеобразо-вания подтвердили эффективность нетрадиционной разгрузки и позволили предложить способ проведения выработок по удароопасным участием массива, заключающийся в образовании по трассе выработки впереди забоя щелеобразной зоны дробления, вытянутой вдоль (^^(а.с. 1375634). Аналогичного эффекта за счет перехода к более равномерному нагрукению контура выработки можно достичь установкой активных распорных элементов (гидростоек) вдоль направлении действия б^ддЛа.с. 1511394).

Расчет пространственного напряжекно-дь..)ормированного состояния массива в окрестности движущегося очистно"о забоя. Для детального изучения НДС массива г окрзстност" лавы и ее.сопряжений со'штреками реализована расчетная схема (рис.7) для полости очистной выемки до первой посадки кровли и после нее. Решыие задачи осуществлено методом граничных интегральных уравнений ^ новой модификации - с введением уточнения решения по Эейдело методом Люстерника. При этом после четырех итераций определяется первое собственное •• значение матрицы, с помощью которого сразу же вычисляются точные значения "Фиктивных" нагрузок. Но сравнению с методом ЗеЯделя выигрыш во времени получается в 2 раза. Экономия машинного времени достигается также за счет обоснованного уменьшения размеров расчетной полости: длины лавы - до 1С Л? С /77 - вынимаемая мощность

пласта), максимальней ширины выработанного пространства ¿, - до

о

9т .

Рис.7. Расчетная схема для очистного забоя

Анализ напряженного состояния массива в районе сопряжения лавы со штреком показал, что в отои метете оно сложное к постоянно меняющееся при движении очистного забоя. Причем до обрушения пород основной кровли картина НДС симметрична относительно центральной плоскости пласта Х.Оу , а после обрушения симметрия нарушается: наблюдается ргзкий спад (разгрузка) напряжений в кровле и увеличение их в почве. Аналогично меняется и конфигурация зон деформаций растяжения. До обрушения при увеличении ширины выработанного пространства зоны в кровле и почве развиваются симметрично, а после обрушении зона растяжения в кровле резко уменьшается, а в почве - рез-ico увеличивается. Из этого следует, что обрушение пород над выработанным пространствам благоприятно влияет только на состояние кровли и значительно ухудшает состояние почвы (увеличение концентрации давления и зон деформаций растяжения). В развитии смещений массива тмечаются особенности, также указывающие ча усиление деформирования почвы. Рост смещений в почве con;-жения при наличии в ней обширной области вертикальных деформаций растяжения и концентрации напряжений проявляется в виде пучения штреков позади очистного забоя, подтверждаемого натурными наблюдениями.

Об общем характере деформирования массива можно судить по горизонтальным смещениям Uв плоскостях, параллельных плоскости счи-

сяшго забоя. Эти смещения, как оказалось, имеют различные направления, а линию нулевых смещений¿¿х~ 0 (со ссылкой на эксперименты С.Н.Комиссарова, А.Л.Селезня и др.) можно считать линией нарушения сплошности, которая ограничивает зоны сдвуления в окрестности очистного забоя. До обрушения пород эти зоны располагаются симметрично в кровле и почве, а после обрушения симметрия нарушается. Впереди очистного забоя границы зоны сдвижения в кровле и почвг про-ход~т приблизительно по центру штрека (рис.8,г). На линии забоя границы зоны сдвижения смещаются в разные сторс ш: в кровле - в сторону выработанного пространства, а в почве - в сторону нетронутого массива (рис.8,б). И, наконец, позади лавы зона сдвижения поч 'чтНне захватывает кровля штрека, но охватывает геп почву (рис.8, '»). 'Такое формирование зон сдвижения привод, ■ к тому, что позади швы основные смещения массива за счет его разрушения будут происходить только со стороны почвы.

'При этом можно вести речь об установлении качественного механизма 'деформирования выемочных штреков. Отход л&ш от гантажной к&-■м»рн (или от имеющегося обрушения) приводит г усиливающемуся ежа,-

тию массива в окрестности сопряжения, причем сжатие здесь симметричное - одинаковое как со стороны кровли, так и со стороны почвы. Обрушение пород за лавой нарушает равновесие массива; давление со стороны кровли падает, а со стороны почвы - усиливается. Это говорит о том, что система лава-массив в силу своей устойчивости сама стремится к равновесии, которое автоматически достигается симметрией разрушения (Г.Ф.Боброа) относительно плоскости ^Оу , т.е. образованием обширной области разрушения в почве, что и проявляется в виде интенсивного [¡учения штреков. Для борьбы с пучением можно предложить, вс-первых, обрез зоны сдвижения в почве штрека от общей зоны сдвижения под выработанным пространством с тем, чтобы перемещения обшей зоны и зоны под штреком происходили независимо, -и во-вторых, укрепление почвы игрека.

Управление горним давлением той поддержании выработок. С цель» повышения устойчивости сопряжения и улучшения условий поддержания выработки предложено наклонное расположение участка очистного забоя, примык&сщего к штреку (а.с. 1453024). Установлена рациональная ломаная форма линии очистного забоя, представляющая собой тупой угол с верешней, обращенной в сторону выработанного пространства. ■

На.основе проведенных исследований к анализа недостатков известных способов сформулированы принципы охраны и поддержания выработок, заключающиеся в обеспечении обреза как кровли, так и почвы вдоль выработки, б снижении жесткости охранного сооружения и переводе его в податливый режим работы, в целенаправленной борьбе с пучением, в установке охранного сооружения с предварительным распором и др. Реализация этих принципов достигается применением новых способов и перспективных элементов конструирования охранных сооружений. Формирование симметричных обрезных целей в кровле и почве предусматривается как взрывным способом Са.с. 1348528), так и неезришик - прорезанием щелей и вдавливанием в них режущих балок гидростойками (а.с. 13019771. Возможны варианты направленного разрушения взрыванием шпуров "через анкер" с созданием специфического напряженного состояния натяжением анкеров и вариациями распора крепи в лаве (а.с. 1445334, 1448063, 1555494).

Для снижения жесткости литых охранных полос и обеспечения комплексного воздействия их на кровлю л почву предложена составная конструкция полосы из двух треугольных призм, имеющих возможность перемещаться друг относительно друУа, внедряться режущими кроика-

ми в породи кровли н почвы и формировать линии их обреза. Для создания предварительного распара блочной полосой предложена призматическая форма блоков, специальная их укладка и втягивание домкратом в прорктное сечение полосы, приводящее к ее раздвижке и распору между кровлей и почвой.

. При поддержании выработок за лавой большие трудности возникав? в преодолении нажима сползающих пород со стороны выработанного пространства. Эффективно работать в этих условиях будет крепь после разворота ее на угол 90°- (р (tp~ угол падения пласта) и ориентации оси податливости вдоль нагрузки с автоматическим закреплением почвы (а.с. 1303718).

Проведе|г:Ув натурные наблюдения за конвергенцией выработок при повторном использовании показали, что развитие смещений а штреках позади лавн происходит значительно активнее, чем впереди нее. h общей конвергенции лучение составляет до 80«, икся участки интенсивного роста после каядэго ибругвмшя кровли. Эти дишьв подтверждает теоретические представления и позволяют выделить борьбу с пучением в качестве главного фактора эффективного поддержания выработок за лапами. На их основе резработвны технические мероприятия, включающие установку анкеров в почве замками за пределы зоны сдвижения и создание замкнутого контура крепи путем прокладки по почве прямолинейного металлического лежня. Знепренко этих мероприятий при поддержании штреков ки шохтз "Саранская" привело к уменьшении смещений в 4 раза и значительному экономическому оффекту.

Социально-экономическое значение работы. Результаты исследований освоены и внедрены на шахтах им.В.И.Ленина и "Саранская" ПО "Карагандауголь". За период освоения и внедрения (1981-89 гг.) результатов разработки, технических решений и рекомендаций за сче" применения геомеханически обоснованных параметров проведения и поддержания выработок достигнуты следующие показатели:

при проходке гараОоток по оссбовыбросоопасноыу пласту с применением гаэодренакных скважин fi почву впереди забоя (а.с, 2684^2) увеличена средняя скорость проведения с 22,4 до 54 м/мес;

при поддержании вь>работдк за лавами с применением целенаправленных мер по борьбе с пученней сшасены затраты на поддержаше I пог.м с 246,36 до ¡-¡3,67 руб.

С ислольэсьаниср разработанные рекомендаций пройдено 9,5 км и поддержано 3,5 км выработок, в результате чего получен фактический экономический эффект з размере около 1,0 млн.руб. (личная доля автора - Я25 тыс.руб).

ЗАКЛОЧЕНИЕ

Диссертационная работа является научным трудом, в котором разработаны теоретические положения формирования пространственного напряженно-деформированного состояния массива в окрестности движущиеся подготовительного и очистного забоев с учетом динамических проявлений горного давления, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное достижение в развитии перспективного направления в горной геомеханике.

Основные научные и практические результаты работы заключается -в следующем:

1, Разработаны эффективные алгоритмы расчета пространственного НДС массива в окрестности движущихся подготовительного, и очистного забоев, использующих метод граничных интегральных уравнений в интерпретации А.Я.Александрова, численная реализация которого дает высокую информативность расчетов путем:

применения приемов сокращения времени решения задач на ЭВМ, таких как метод Зейделя, уточнение Дюстерника, переход от полнозапод-нг ной матрицы к ленточной, позволяющих добиться 5-10 кратного выг игрыша во времени счета при погрешности вычислений не более Ь%1

выбора обоснованных размеров расчетной полости, позволяющих существенно укеныг'ть их действительные значения и составляющих: для подготовительной выработки - ее длины до Ь линейных размеров пепе-речного сечения; для очистной - длины лавы до 10 мощностей пласта;

использования наследственной теории ползучести с историей наг-ружения, учитывающей последовательную смену статических положений забоя и позволяющей моделировать проведение выработки с определенно.!! скоростью.

2. Пространственное НДС в окрестности подготовительного забоя при проведении выработки в однородном массиве характеризуется:

неравномерной разгрузкой пород от исходных напряжений, когда одна компонента нормальных напряжений снижается гораздо быстрее двух других, и в поле действия сжимающих напряжений в областях, непосредственно примыкающих к поверхностям обнажения, формируются зоны деформаций растяжения, являющиеся причиной разрушения пород;

зависимостью размеров зон деформаций растяжения от соотношения исходных напряжений в массиве (коэффициента бокового давления) и появлением при негидростатическом сжатии области дополнительного

ренне их в производство дает фактический экономический, эффект в размере около 1,0 млн.руб. (личная доля автора - ЗЯо тыс.руб).

Осиошые положения диссертации опубликовали в следуяиих работах автора:

1. Механизм инициирования динамических явлений в подготовительных забоях / Ж.С.Ерданов, Ю.А.Ьекслер, Н.А.Цдаикии, С.Б.Колоколов.

- Алма-Ата: Наука, I9Ö4. - 224 с.

2. Жданкин H.A., Нданкин A.A. Геомеханика горшк выработок. Сопряжение лава-итрек. - Новосибирск: Наука, IS90. - 112 с.

3. Век сер Ю. А., Панкин H.A., Колоколов С. Б. Решение пространственной задачи теории упругости дал подготовительной выработки // ФТПРПИ. - 198I. - О- Л. - С.15-23.

4. Х^цанкин H.A., Колоколов С.Б. Об использовании результатов резенил плоской задачи для определения деформированного состояния массива горных пород // ЙШРПИ. - IÎ62. - $ I. - C.97-Ü3.

5. Векслер Ю.А., Кдянкнн H.A., Колоколов С.Б. О механизме инициирования внезапного выброса вблизи геологического наруиеияя // ФТПРПИ. - 19ЬЗ. - 2. - С.3-в.

6. Жданкин A.A., Йданкин ii.A. Оценка вляяш.л параметров вруба на разрушающее действие шпуровых зарядов // ЗТПРШ. - IS34. - Vf 3.

- С.Ь5-6С.

7. Жданкин A.A., Ждаккин H.A. Пространственное напряженно-деформированное состояние массива в районе сопряжений выемочных штреков с лавой // ФТШИ. - 19Й5. - 1Г» 4. - С.3-14.

В. Бекслер Ю.А., Жданкин H.A. Реиение пространственной задачи ползучести для подготовительной выработки // ФТйРПИ. - 1985. -I? 5. - C.2Ô-33.

9. Жданкин H.A., Колоколов С.Б. О рациональной форме породного обнажения в подземных выработках // MîlPitM. - I98S. - № 3. - С. .. 66-71.

10. Жданкин H.A., Колоколов С.Б. Об интерпретации ексгсеримен-тальных данных при измерении напряжения // ЙПРШ. - 1Э50. - № I.

- С.53-57.

11. Жданкин H.A., Колоколов С.Б. Анализ объемного напряженного состояния вокруг горной выработки ограниченной длины // Прикладная механика. - 1983. - Г. 19. - №-4. - С.35-39.

12. Жданкин H.A. Об исследовании влияния скорости прохождения выработки на напряженно-деформированное состояние горного массива // Прикладная механика. - 1У85. - Т.21. - № 10. - С.10-14.

13. Дризд H.A., Ждан кип A.A., Кцанкин H.A. Об устойчивости сопряжении выемочных итрекоп с лавой // Уголь. - 1984. -}?2. - С. 17-19.

14. Керагодчн JJ.H., Дцанккн Н.Л., Бирюков Ю.М. О порядке обработки забоя при проведении выработки // Уголь. - 1984. - № 3, -С.7-10.

15. Кданкиа H.A., Дротд H.A., Бирюков Ю.М. Расчет взаимного расположения спаренных выработок на выбросоопаспых пластах // Уголь. -

"1984. 8. - С.20-22.

16. Колоколов С.Б., Селиванов A.C., Жданкин H.A. 0 побылзнни устойчивости торцовых участков буро-доставочных вьработок // Горный журнал. ~ I9Q0. - 5? 3. - С.36-37.

17. Кданкин H.A., Нданкин A.A., Боев A.B. Выбор глубина шпурое с учетом напряженно-деформированного состояния массива // Горный журнал. - 1962. - Я 10. - С.34-35.

16. О повышении устойчивости больших обнажений кровли / H.A. Кданнин, й.Д.Аристонов, .У.С.Коянбаев и др. // Горный журнал. -1985. - Ii 5. - С.61-63.

19. ;Кданкин H.A., Кочетков В.Н. Способ увеличения эффективней глубины спуроп при проходке выработок // Горный журнал. - 1986. -№ II. .- С. 27-26.

20. лданкин H.A., Ккм В.А. [ювыиение устойчивости выработок в ударорпасных условиях // Горний журнал. - 1989. - № S. - С.47-Ы.

21. Нданкин H.A., Колоколов С.Б. Об эффективности анкерной крепи // Технология разработки месторождений полезных ископаемых. -Караганда, 1977. - C.I5I-I54.

22. Йданкин H.A., Брагин ЕЛ1. Влияние крепи на напряженное состояние кровли в очистном забое // Исследование новых технологических схем разработки и охраны угольных и калийных месторождений. -Караганда, 1979. - С. 155-156.

23. Еекслер Ю.А., Жданкин H.A., Колоколов С.Б. Напряженное и деформированное состояние массива в окрестности забоя выработки в зоне геологического нарушения // Горное давление в капитальных и подготовительных выработках. - Новосибирск, 1981. - С.90-93.

24. Кданкии H.A., Колоколов С.Б. О зависимости устойчивости выработки от ее длины // Проблемы механики подземных сооружений. -Тула, 1982. - С.19-21.

25. Жданкин H.A. Пространственное напряженно-деформированное состояние пассива горных пород в окрестности двух параллельных выработок // Разработка соляных-месторождений. - Пермь, 1982. -С.86-91.

26. Векслер Ю.А., ЗКдэнкни H.A., Саттароп С.С, Исследование механизма и прогноз динамических явлений в угсленых г.пхтвх /7 прогноз землетрясений. - Душанбе-Ляма-Ага: Дэшм, I9Ö2. - № 2. - С. 232-243.

2?. Жданкин H.A., Бирюков Ю.М. Внезапнее выбросы и Карагандинском бассейне и некоторые аспекты борьбы с ними // Техника безопасности, охрана труда и гсрно-спасательное дело. - М.: ЦМЭИугсль. 1933. - № I. - С.21-22.

'¿в. Мданкик A.A., Нданкин H.A. О механизме проявлений горного давления в очистном забое // Горное давление в капитальна и подготовительных выработках. - Новосибирск, 1985. - С.56-60.

29. Жда^кип H.A. Некоторые вопросы управления массивом горных пород вокруг выработок // Горное давление в очистных и подготовительных выработках. Новосибирск, 1939. - С.42-47.

30. Кдаикин H.A., Тризно С.К. Снижение затрат времени яа ранение пространственных задач геомеханики // Кнфсрмац.листок Кемеровского ЦНТН. - Кемерово, 1990. - № 127-90. - 3 с.

31. A.c. 968462 СССР: Ш £ 21 Р о/ОО. Способ борьбы с внезапными выбросами из почзи массива и внезапней подлутиями почвы / А.С.Сагннов, Х.С.Ерканов, Ю.А.Векслер, Н.А.Ддэнкин и др. - Опубл. 23.10.62, Бол. Г СР.

32. A.c. 1173821 СССР: Е 21 С 37/00. Способ ьзрывной отбойки горных пород / Я.Д.Арыстанов, Н.А.1делкии, А.А.Жданкин, У.С.Ко-янбаев. - ДСП.

33. A.c. I202319 СССР: МКИ Е 21 Д 9/00. Способ образования врубовой полости / И.Д.Арнстанов, Н.А.Кданкин, У.С'.Коянбаев. - ДСП.

34. A.c. 1257220 СССР:.МНИ Е 21 С 41/04. Способ выемки угольного пласта / п.А.Жданкин, А.А.Жданкин. - Опубл. I5.C9.86, Бол. .V 34.

.35. A.c. 1264649 СССР: УКИ Е 21 С 39/00. Способ определения направления действия максимальных напряжений в горном массиве / H.A. Кданкин, У.С.Коянбаев. - ДСП.

35. A.c. 1266279 СССР: МКИ ь 21 С 37/00. Способ проведения горных Еыработск / А.В.Боев, А.А.Жданкин, Н.А.Жданкин и др. - ДСП,

37. A.c. 1301977 СССР: МКИ Е 21 Д II/00. Способ охраны подготовительной выработки / Н.А.йданкин, А.А.Жданкин. - Опубл. 07.04.67, Бял. $ 13.

38, A.c. I3037I8 СССР: МКИ К 21 С 41/04. Способ поддержания повторно используемых подготовительных выработок / H.A.Панкин, А.А Дцанкин. - Опубл. 15.04.07, Бол. № 14.

39. A.c. 1323718 СССР: MKM Е 21 С 41/04. Способ разработки угольного пласта / Е.В.Игнатов, Н.А.Жданкин. - Опубл. 15.07.87, Бол. » 26.

40. A.c. 1348528 СССР: МКИ Е 21 Д 13/02. Способ охраны горной выработки / А.А./Нданккн, Н.А.Жданкин, Х.Б.Есмагачбетов. - Опубл. 30.10.87, Бюл. » 40.

41. A.c. 1375834 СССР: ЫКИ Е 21 F 5/00. Способ проведения гор--Льк выработок пэ удароопасным участкам массива / В.А.Ким, H.A. Жданкин. - Опубл. 23.02.83, Бюл. № 7.

42. A.c. I3338S4 СССР: МОД Е 21 С 37/00. Способ проведения горных заработок / Н.А.Жданкин, В.Н.Кочетков. - ДСП.

43. A.c. 1445334 СССР: ЫКИ Е 21 С 37/00. Способ взрывной отбойки блоков природного камня / Н.А.Жданкин. - ДСП.

44. A.c. 1448063 СССР: Ш1 Е 21 Д 11/00. Способ управления труднсюбрушаемой кровлей при разработке пластовых месторождений / Н.А.Жданкин. - Опубл. 30.12.88, Вол. № 43.

45. A.c. 1453024 СССР: ШИ Е 21 Д И/00. Способ поддержания выработки / Н.А.Дрижд, А.А.Кданкин, Н.А.Жданкин и др. - Опубл. 23.01.89, Бол. № 3.

46. A.c. 1458580 ССОР: М(И. Е 21 Д 11/00. Способ возведения охранного сооружения б выработке / Н.А.Кданкил, Е.В.Игнатов. -Опубл. 15.02.89, Ею л. J? 6.

47. Л. с. 1498925 СССР: МКИ Е 2Т. Д 20/00. Способ защиты горной выработки от сейсмических воздействий / Н.А.Жданкин. - Опубл. 07.08.89, Бал. № 29.

48. A.c. 1511394 СССР: МКИ Е 21 С 41/04. Способ предотвращения горных ударов / Н.А.Жданкин, В.А.Ким. - Опубл.30.09.89, Егол. № 36.

49. A.c.. 1555491 СССР: ШИ Е 21 Д 9/00. Способ охраны подготовительной выработки / Н.А.Жданкин. - Опубл. 07.04.90, Бол. № 13.

50. A.c. ... по заявке № 4641335/03 СССР: ШИ Е 21 Д 9/00. Способ проведения горной выработки / Н.А.Жданкин. - Заявл.25.01.89, полож.реш. от 28.11.90.

Подписано к печати 5.03.92. Заказ № 12.Тираж 100 яжз. Объем 2 п.л. Печать офсетная. Ротапринт ВостНИН. 650002, Кемерово, ул. Институтская, 3.