автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Исследование и выбор безопасных параметров крепления горных выработок в условиях многолетней мерзлоты

?ГВ од

М» О»

25 «И»«®

На правах рукописи МОРОЗ Владимир Филиппович

ИССЛЕДОВАНИЕ И ВЫБОР БЕЗОПАСНЫХ ПАРАМЕТРОВ КРЕПЛЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК В УСЛОВИЯХ МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЫ

Специальности 05.26.01 — Охрана труда 05.15.02 — Подземная разработка месторождений полезных ископаемых

Автореферат ■ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Владивосток 1995 год

Работа выполнена в Институте «Дальвостниипроект».

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. И. Д. НАСОНОВ, докт. техн. наук, проф. Н. Г. ШКАБАРНЯ, докт. техн. наук, проф. О. В. МИХЕЕВ.

Ведущее предприятие — «Центрогипрошахт».

Защита диссертации.-состоится <<^ 1995 г.

/V

в /.;. часов на заседании диссертационного совета Д 064.01.02 в Дальневосточном государственном техническом университете по адресу: 690600, Владивосток, ул. Пушкинская, 33, ауд. Г-134.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. ■

Автореферат разослан

1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

канд. техн. наук О. А. ШЕРЕМЕТИНСКИЙ.

- -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работа. Основные запасы угля в России сосредоточены на Севере и Северо-Востоке и расположены в условиях многолетней мерзлоты. Разработка их подземным способом возможна только при создании безопасных-и комфортных условий труда, что достигается подогревом поступающего в шахту воздуха и применением новейших технических средств и технологий. Однако подогрев воздуха приводит к ухудшению условий поддержания капитальных горных выработок и массовому разрушению традиционной крепи из-за оттаивания мерзлых пород.

Цельи работы является изыскание рациональных типов крепи и определение их параметров и области применения для условий шахт Севера и Северо-Востока.

. Основная нжея работы заключается в установлении влияния протаи-вания горных пород на проявление горного давления и выбор на этой основе эффективных типов и параметров крепи капитальных выработок.

Задачи исследований:

- исследовать закономерности изменения теплового режима шахтных горных выработок при подогреве воздуха до. положительных температур в зимний период;

- установить влияние оттаивания горных пород на работоспособность различных крепей;

- разработать методы расчета и определить параметры крепи в различных температурных условиях;

- оценить технико-экономическую эффективность и область применения различных типов крепи.

1!етодо исследования. Особенности формирования теплового режима, проявления горного давления, работоспособность крепи изучены в шахтных условиях постановкой широких, более чем тридцатилетних исследований. Аналитические методы определения смещения массива и расчеты нагрузок на крепь использовались при выборе параметров всех типов крепи. Результаты экспериментов обработаны методами математической статистики и приведены к удобным для проектирования номограммам.

Научные положения, защищенные автором:

1. Безопасность поддержания горных выработок заключается в умении регулировать тепловое состояние массива и в подборе рационального типа и параметров крепи, учитывающих специфику эксплуатации.

2. Протаивание горных выработок является основным фактором, влияющим на величину давления пород на крепь. Учет его интенсивности

и абсолютных параметров существенно упрощает поддержание выработок в условиях шахт Севера.

3. Наиболее подвержены разрушению выработки, пройденные по интенсивно-трещиноватым сцементированным льдом породам, как правило, это выход пластов, эоны тектонических нарушений, выработки расположенные в зоне сезонных колебаний температур. Для этих случаев параметры крепи должны выбираться специально и чрезвычайно надежно, т.к. здесь проходят основные капитальные выработки шахт.

4. Разработанные с участием автора методы расчета параметров крепи обеспечивают эффективность и безопасность эксплуатации шахт области многолетней мерзлоты.

Достоверность вдучннх положений, сформулированных в работе базируется на результатах лабораторных и шахтных экспериментов и подтверждается широким внедрением крепи с рекомендованными параметрами на шахтах Северо-Востока. По рекомендациям автора закреплено более 60 км капитальных выработок.

Научная новизна работы заключается в установлении закономерностей теплового режима капитальных выработок угольных шахт области многолетней мерзлоты при подогреве шахтного воздуха; установлении особенностей проявлений горного давления при протаивании горных пород; установлении характера влияния засоленности горных пород на размеры ореолов протаивания; обосновании рациональных параметров различных типов крепи для рассматриваемых условий.

Личный вклад автора состоит в:

- изучении теплового режима шахт и проявлений горного давления в капитальных выработках;

- в обосновании и разработке инженерных методов расчета безопасных параметров крепи;

- в организации широкого внедрения эффективной крепи на шахтах Северо-Востока;

Практическая цггшссть работы заключается в разработке и внедрении на предприятиях и в проектных организациях методики расчета рациональных параметров крепи в условиях угольных шахт Севера и Северо-Востока России. В организации безремонтного поддержания выработок в течение всего строка службы на ряде шахт. В использовании рекомендаций автора в проектах реконструкции и строительства новых шахт.

Апробация работа. Результаты исследований докладывались автором на Всесоюзной конференции по проблемам горной теплофизики (Ленинград, 1973 г.); на Всесоюзных семинарах по горному давлению (Караган-

да, 1974 г., Ткибули, 1976 г.); Ученом совете ИФТПС ЯФ СО АН СССР ГЯкутск, 1976 г.); Объединенном семинаре лабораторий и Ученом совете ИГДС ЯФ АН СССР (Якутск, 1982 г.); Международной конференции по горной теплофизике (Киев, 1986 г.); Юбилейной конференции ЛГИ(Ленинград, 1986 г.); Семинаре лаборатории проблем комплексного освоения выработанного пространства недр ИПКОН РАН (Москва, 1992 г.); кафедре охраны труда ДВПИ (Владивосток, 1993 г.); НТС "Дальвостниипроект" (Владивосток, 1994 г.); на многочисленных совещаниях работников угольной промышленности и проектных институтов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 научных работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырехглав, заключения, списка использованной литературы и приложения, и изложена на 286 машинописных страницах.

Автор приносит глубокую благодарность научному руководителю -профессору, доктору технических наук В.Н.Скубе и докторам технических наук В.И.Короткову и Ю.А.Нилусу за научные консультации и ценные советы по написанию диссертационной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Проблеме устойчивости капитальных горных выработок угольных иахт в условиях многолетней мерзлоты посвятили свои работы многие В главе 1 дан анализ всех работ, показана их высокая научная значимость и практическая ценность. Нами на основании результатов исследований предшественников обобщен опыт крепления и установлено влияние различных факторов на устойчивость горных выработок, даны характеристики применяющихся крепей и методов крепления горных выработок.

Показано, что выбор параметров крепей в разных температурных, производственно-технических и горно-геологических условиях, во многих случаях производится не дифференцированно, а только с учетом сечения выработки и материала крепи. Эксплуатация горных выработок без крепления в мерзлых породах с температурой выше минус 3-4°С резко увеличивает количество завалов и обрушений пород кровли и тем самым снижает безопасность работ.

Крепление горных выработок новыми типами крепей - металлической рамной, арочной и штанговой - уменьшает объемы перекрепления на 1000 ы до 10 раз в сравнении с эксплуатацией выработок без крепи и с частичным креплением деревянными рамами и до 6-7 раз при закреплении выработок только деревянной крепью. Переход от умеренного теплового

- б -

режима к положительному при применении штанговых и металлических, рамных и арочных крепей не влияет на устойчивость горных выработок в условиях многолетней мерзлоты. Применение металлических арочных и рамных крепей целесообразно в выработках с площадью поперечного сечения в свету 8 м2 и более. При благоприятных горно-геологических условиях в выработках сечением менее 8 м2 выгодно применение штанговых крепей вместо деревянных рамных. Применение деревянной рамной крепи допустимо только в шахтах с умеренным тепловым режимом на удаленных ее участках и в выработках со сроком службы не более 2-3 дет. Перспективными крепями для применения в условиях многолетней мерзлоты являются штанговые, металлические и комбинированные крепи, обладающие достаточной несущей способностью, долговечностью и технологичностью. .

В главе 2 приведены методика и результаты исследований устойчивости горных выработок и работоспособности различных крепей. Основным фактором, определяющим устойчивость подготовительных выработок в условиях мерзлоты, является оттаивание пород и опорное давление от очистных работ.

Проявления опорного давления в различных температурных зонах угленосной толщи характеризуются определенными закономерностями. Практически ощутимое опорное давление в зоне многолетней мерзлоты распространяется впереди очистного забоя на 18-20 м,. в переходной зоне - на 25-30 м, в условиях подмервлотных горизонтов - на 50-75 м.

В зоне многолетней мерзлоты подготовительные выработки сохраняют рабочее состояние до погашения их очистными работами и при деревянной и при штанговой крепи. Критической величиной смещения пород кровли, при которой происходит деформация деревянной рамной крепи, является смещение на 40-60 мм. Штанговая крепь в переходной зоне деформируется при смещении пород кровли на 120-130 мм, в условиях подмерзлотных горизонтов - на 80-90 мм.

В переходной зоне и на подмерзлотных горизонтах значительная эффективность поддержания подготовительных выработок достигается при применении штанговой крепи..

Наиболее сложно поддерживать выработки или их участки в зоне опорного давления от целиков, оставленных при разработке вышележащих пластов. На участках, где проявляется совокупное влияние опорного давления от этих целиков и очистных работ по пласту, целесообразно применять комбинированную крепь - штанговую в сочетании с поддерживающей деревянной или металлической.

Опыт эксплуатации горных выработок с деревянной рамной крепью показывает, что во всех случаях - в начале и конце воздухоподающей выработки, вне зоны влияния опорного давления и в зоне очистных работ, на сопряжениях и в геологических нарушениях, в мерзлоте и в подмерзлотной зоне - несуиая способность деревянной крепи плотностью 1-4 рамы на 1 м оказывается недостаточной.

Прочностные характеристики и несущая способность металлических, железобетонных и деревянных' штанг обусловливает эффективность их применения в подготовительных выработках всех трех температурных зон. Рациональными для этих условий являются: металлические штанги распорно-беарезьбового типа в выработках любого срока службы при закреплении их замков в породах любой крепости; железобетонные штанги для крепления выработок большого срока службы при установке их в любых породах; деревянные штанги диаметром 38-40 мм для крепления подготовительных выработок, имеющих второстепенное значение , сроком службы от пятнадцати дней до трех месяцев и для укрепления боков долгосрочных выработок любого назначения.

Плотность штанговой крепи существенно влияет на устойчивость горных выработок. Граница плотности для.надработанных пластов составляет 1,0 штг/м2, а для ненадработанных пластов 0.83 штг/м2.Большая плотность практически нецелесообразна так как опускание кровли и нагрузка на крепь при прохождении очистных работ не превышают критических величин и при этих значениях плотности. Уменьшение плотности возможно, но в каждом конкретном случае в зависимости от назначения и срока службы выработок должно решаться с учетом всех обстоятельств.

Начальное натяжение штанг 1,6-2 т вполне достаточно для предотвращения расслоения заштангованной кровли, так как опускание пород эаштангованной кровли не зависит от натяжения штанг при величине его не менее 1,5-2 т, а если и имеется разница в величинах опускания, то проявляется она за счет податливости подхватов. Более целесообразно применять неподатливые подхваты.

В результате взрывных работ в забое выработки натяжение штанг, установленных с деревянными подхватами и находящихся от места взрыва на расстоянии не более одного метра, резко падает за счет снятия подхвата по контакту с шайбой. Для нормальной работы крепи после взрыва необходимо повторное натяжение штанг до 1,5-2 т. На натяжение штанг, установленных с металлическими подхватами или непосредственно шайбами под кровлю, взрывные работы практически не влияют. Применение металлических подхватов резко улучшает устойчивость ааштангован-

ной кровли.

Крепление горных выработок в зоне влияния очистных работ необходимо осуществлять металлическими штангами с последующим усилением их деревянными рамами.

В зоне геологических нарушений наибольшие скорости смещении пород кровли при креплении выработок деревом наблюдаются в местах где температура пород наиболее высокая. Деревянное крепление выработок в геологических нарушениях, на сопряжениях, в зонах опорного давления испытывает повышенное горное давление, поэтому такие участки требуют значительного увеличения плотности крепи или применения комбинированной крепи. Прочность закрепления штанг в слабых породах кровли и в породах геологических нарушений колеблется от 0,2 до 4,8 т при диаметре шпура 43 мм. Уменьшение диаметра шпуров с 43 до 36 мм увеличивает прочность закрепления штанг соответственно с 3,6 до 7,2 т.

Создание в забое шпура полости увеличенного диаметра длиной до 150 мм повышает прочность вакреплеиия штанг типа Ж-1 в слабых породах до 5 т и более.

Несущая способность штанг с полимерным закреплением для шахт области многолетней мерзлоты колеблется от 5,2 до 11 т. Увеличение количества ампул на шпур до двух увеличивает несущую способность штанг почти в 2 раза.

Исследования работоспособности штанговой крепи в условиях шахт Севера позволили установить, что величина закрепления металлических штанг зависит от температуры и физико-механических свойств пород и колеблется в аргиллитах и песчаниках от 4,6 до 7 т у клинощелевых и от 6,5 до И т у распорных, типа 111К-1.

Высокая прочностная характеристика и несущая способность металлических штанг распорно-безреэьбового типа ПК-1 свидетельствуют о целесообразности их применения в подготовительных выработках всех температурных зон.

Металлическая штанговая крепь аффективна в подготовительных выработках со сроком службы до 2,5 лет, таких как транспортерные и вентиляционные штреки, обрезные и разрезные печи, ходки для доставки материалов и людей.

Применение келезобеюнных штанг значительно у лучше г условия поддержания выработок большого срока службы по сравнению с металлической штанговой крепью, поскольку принцип работы железобетонных штанг (закрепление во всех слоях) обеспечивает более прочную моно-литизацию заштангованной пачки.

- э -

В выработках типа обрезные и разрезные печи, вентиляционные и транспортерные сбойки, имеющих срок службы 0,5-3 месяца, для укрепления пород кровли весьма эффективно применение деревянной штанговой крепи. В выработках большого срока службы деревянная штанговая крепь эффективна при укреплении ею боков выработки.

Практика работы и исследования показали, что эффективность применения штанговой крепи обеспечивается в подготовительных выработках всех температурных горизонтов при закреплении замков штанг в угле углистых, песчанистых, глинистых аргиллитах; песчаниках и изверженных породах.

Практическая проверка показала, что металлические арочные крепи в условиях многолетней мерзлоты более работоспособны, чем деревянные рамные крепи. Нагрузки на металлическую арочную крепь изменяются в пределах от 22 т/м до 3 т/м по мере удаления от устья выработки и изменяются синхронно с изменением глубины оттаивания пород. Боковое давление на крепь в 2-3 раза меньше, чем со стороны кровли. Сближение пород кровли и почвы выработки при металлической арочной крепи достигает 122 мм и уменьшается по мере удаления от устья штольни, составляя на расстоянии 2 км - 62 мм. При этом сечение выработки уменьшилось в отдельных случаях более чем" на 1,6 м2.

На участках горных выработок, где ожидаются большие смещения пород, целесообразно крепить выработки комбинированными крепями (штанговую в сочетании с поддерживающими крепями), что позволяет разрядить плотность крепей и обеспечивает устойчивость выработки в условиях значительных проявлений горного давления.

В главе 3 даны приближенные методы оценки напряженно-деформированного состояния протаивающих мерзлых пород, перемещения контура выработки и границы пластических деформаций при оттаивании пород для обоснованного определения нагрузок на крепь. Допущение, что пластическая зона вокруг выработок охватывает ореол оттаивания пород, позволило подойти к аналитическому решению задачи определения перемещений контура выработки и границы пластического деформирования.

Исходя из методов механики сплошной среды и решая уравнения теории упругости для плоско-напряженного состояния, найдем напряженно-деформированное состояние пород вокруг выработки при условии пластичности в виде прямолинейной, огибающей кругов Мора.

Для безразмерной координаты 1 - К Д0 любой точки массива (рисунок) уравнения равновесия в случае плоской деформации в области I < Т-< 0 имеют вид:

+ А. бг бв „ р. (1)

дг г дв 1

Решение системы (1-2) при граничных условиях на контуре выработки 1*0 : »

£ = р 1 г,в = о при г - -£- = 4

(3)

возможно при введении в нее функции напряжений ф таким образом, чтобы выраженные через нее компоненты напряжения после подстановки в (1-2) удовлетворяли системе тождественно;

г дг ^др1 > (4)

(Б)

Функция напряжений 0 в талой эоне (область 1, ограниченная контурами L0 и Lt ) должна на границе ¿^ удовлетворять также условиям непрерывности напряжений:

¿1=.6ч. 1 б*е= б в , Т-1В "Ты; лрц 2 - -р- =

(6)

,'.11

где 01 , 6в, Тгв - компоненты напряжений в талой зоне

(обл. 1);

¿г, бе, Сг9 ■ - компоненты напряжений области 2, ограниченной контурами и I .

Так как в 1 и 2 областях порода находятся в состоянии пластич-

Схема к расчету перемещений на контуре выработки и движения границы-пластических деформаций.

ности, то "здесь 0 должна удовлетворять условию пластичности:

6г) + Й «Яф (¿в+ ¿г + 2Кс^ р )* (7)

где у и К - параметры циклоидальной огибающей кругов Хора.

Предполагая, что 0 не зависит от 8 , имеем Х%в - О. Тогда условие (7) после подстановки туда (4-5) дает уравнение для определения 0 :

Р £-Япр 1 1-Лпр- и-

Откуда получаем общий интеграл для , :

Таким образом, подставляя 0 в (4-5) и учитывая граничные условия (3), находим постоянные А«А1 (для обл. 1) и В - В1.Постоянную В - В1 можно приравнять нулю, так как она на напряжение но . влияет.

Тогда А^Р +. , где ^ и К* - параметры Ыора

для области 1. Если обозначить •, ■» б>е , получим

следующие выражения компонент напряжения в области 1:

где ¿4 ш asin.pt

1-51аЛ

В области 2 функция напряжений ф выражается той не формулой (0), а постоянная А - кг находится из граничных условий (3), которые являются условиями непрерывности напряжений при переходе через границу зоны 1,1 ,

Тогда

Mwtyfc-K.ctgp, + ct^OtÎ]?/1"^ , cid

где

Г J-LâliA I - sift Л '

Таким образом, компоненты напряжений в области 2 определяются

из:

Следовательно, определим перемещение на границе выработки, а также границу пластического деформирования.

Для определения напряжений в упругой зоне, в области 3,- необходимо определить положение упруго-пластической границы L . В области 3 компоненты напряжения должны удовлетворять условию совместности деформаций, которое при Tto ~ 0 запишется в виде:

откуда ( 13)

Связь напряжений и перемещений с учетом несжимаемости в пластической зоне имеет вид:

Откуда выражение перемещения имеет вид: .

В области 3 0 должна удовлетворять условию совместности:

+ + ш)

\ae t dt х mj \ргг ï di t аву u m

и условиям на бесконечность:

XÏ-lfiSVLl 9; <w>

- и

(.18)

где • у - коэффициент Пуассона.

Условия будут удовлетворены, если эадать компоненты напряжения в форме:

^-^[Мьаг'Н (ьг^-аЧсозге);

Постоянные {¡( , ^ • С определяются из условий равенства компонент напряжений в упругой и пластической зонах на £ Уравнение

ищется в виде:

(19)

г; - 7; г: = г;4

где 7е и 'l^(Q) неизвестны.

Поскольку Л малый параметр, справедливы следующие равенства:

'^-гл^Мо)'

Подставляя (20) в (10)а(18) и уравнивая коэффициенты при малом параметре Л , получим уравнения для определения 0, , 6 , С, ,

7». Г, (О):

А* 1г\Т- ш Ь [(г- гЬ\1* ьи* )шге-гьп'от*(в)]-о Аг 0 - й - з^Кс^-^М^чг^О^^-о.

lO -

Откуда

•U'^^ihrbf.^),'

Ii-atí¡ cotí.

Таким образом, уравнение гранииы L имеет вид

7 7 Ьi ЗАгЬ C0S26 Ll UV "^ЗТпЙЩТТГсЩ)

При 1 • Ть , т.е. на.упруго-пластической границе тогда С,""«^ Й1 • 1». > или приближенно

¡221

(23)

С, в-¿гкгТ.

t'24'i

Окончательно уравнение для определения перемещения на контуре выработки имеет вид:

Ü

4fr

(25)

Для проверки полученных теоретических результатов на ЭВМ был произведен машинный расчет перемещений по формуле (25) и определены границы пластических деформаций

поавнение результатов расчета и данных экспериментов свидетельствуют о приемлемости разработанного метода для оценки устойчивости

- 16 -

выработок в различных мерзлотных условиях.

Расчетные формулы (11, 23) показывают, что для применения полученного метода к конкретным условиям необходимо знать кроме инженерных параметров выработки лишь значения К* , К2 , 0{ , Ог для талой и мерзлой порода.

В условиях отрицательных температур значения этих параметров известны лишь для некоторых видов грунтов и крупнообломочных пород россыпных месторождений. Для коренных осадочных пород определение К и Р ке проводилось. Для того, чтобы получить хотя бы грубо-ориентировочно значения Кир для этих пород, можно воспользоваться приближенными зависимостями этих параметров от пределов прочности пород на одноосное сжатие и растяжение, предложенными Н.М.Проскуряковым, Р.С.ПермякоЕым й А.К.Черниковым. Эти зависимости имеют вид:

- 6

ек 6,

. (26)

(27)

Входящие в (26) и (27) значения ¿о* и ¿м«* для

мерзлых пород некоторых шахт Северо-Востока взяты нами по А.Н.Куроч-кину, Л.Р.Бурштейну и Ю.Д.Дядькину. Для мерзлых песчаников, аргиллитов и алевролитов шахт Северо-Востока К - 20-70 кг/см2 , р - 52-65°.

При определении нагрузок на крепь выделены три наиболее типичных случая для шахт Северо-Востока:

- в кровле залегают дисперсные и интенсивно-трещиноватые породы;

- слоистые породы;

- крупноолочные породы.

Нагрузки на крепь в дисперсных льдистых породах следует определять по формуле:

Р- 2а-4&т |-,"/«,

(28)

где 0. - полупролет выработки, м, аКт - глубина протаивания, м, у» - объемный вес пород, т/м3.

Для пород массивной текстуры нагрувки на крепь определяются из выражения:

В коренных породах с секущими ледяными прожилками

А

ta

Р- 2a[*Rr +l[(L* &U-(w) Г- ¡С 7и, сэо>

где п а М-

4 йб-Г-к»

В слоистых породах Сев секувях ледяных прожилков:

где df.f». , .éfH.p. - предел длительной проч-

ности пород на растяжение, смятие и сжатие, кг/см2;

(Xtf предельный устойчизый пролет, м; дб - вертикальные размеры отделыюстей, ы; &Q - горизонтальные размеры отдедьностей, м; К» - коэффициент sanaca; Б" - угол обрушения пород, град. При интенсивно- трещиноватой кровле:

Р*Г5<(Т)^-5ЛТ), "А, ^

где jfi и объемный вес пород в талой и мерзлой зонах, т/м3;

с- п - плоэдди пород в талой и мерзлых вопах, и2. •»i « Di

Для Еыработки с радиусом границей пластических деформаций Судет эллипс с полуосями Ч и й при глубине .протаивания от оси вы-: работки ¡¡т:

a-c(ej), 8-сИ), „

где ^ - параметр Мора.

А4,Аг А* - коэффициент теплопроводности пород, ккал/м, час. град. При у , Кг Ом, И" 500 *»,

у/-0,15, к' = 20 Т/*<а получим:

(33)

В общем случае максимально возможные нагруаки на крепь, развивающиеся при оттаивании пород, можно определить из формулы:

Р - 2аг[*И* - т 1^Л, */и. (34)

В интервале 0 "Ш С вначение К можно

определить по формуле: „ .

, ,-О.Ь _0>ПМ

К - 0.061Те1 -е

В главе 4 приведены методики расчета и выбора параметров крепи в различных условиях.

Параметры штанговой крепи определяются из выражения:

гиР<11>т,Ги мгИ-созгв 7 (35)

где " Радиус пластической зоны равен:

тЬ^. ■

Расстояние между металлическими арками определяется по формуле: Г1кг 2«

гдо xQ, У0- координаты точки, дяным прослойкам.

- V3 -

в которой отсутствует сцепление по ле-

Параметры комбинированной крепи (рамной и штанговой) определяются из выражения:

Рк С _

>щэ ¿га £,-5. ' (37>

где Э - момент инерции ваштаигованной кровли, м*.

Экономическая эффективность применения различных типов крепи на шахтах СеЕеро-Востока должна определяться из следующих моделей для оценки затрат:

mtii.

(38)

Окончательная модель для оценки затрат при металлической арочной крепи:

' (3ü)

-t-USvlkJ —— min.

Окончательная модель для оценки затрат при штанговой крепи:

(4

+ + тт.

Комбинированные крепи. Деревянная и штанговая:

Е С3 L=СЛ+ (4+т, ■ к, fty

OD

min.

20 -

Арочная металлическая и штанговая:

— «т. №>

Условные обозначения:

кт, К - приведенный ралиус протаивания; текущий радиус, м;

Т - время, час;

^^ ,Лг ~ коэффициент теплопроводности талых и мерзлых пород, ккал/м.час.град; - объемный вес пород, кг/'мэ; ?

I - скрытая теплота плавления льда, ккал/'кг;

V/ - влажность пород, доли единиц;

(¡1, 0г ~ коэффициент температуропроводности талых и мерзлых пород, м2/'час;

Те,7«,Т«*~ естественная температура пород; температура на поверхности; температура плавления льда, град;

ЦТ, " температура талых и мерзлых пород, град;

? - интенсивность тепловыделения при экзотермическом

схватывании бетона, ккал/м°.час; - мощность теплового запаса цементного раствора, ккал/м3.час;

¡1 - глина штанги, м; С, , ' коэффициенты теплопроводности, температуропроводности, теплоемкости и объемный вес цементного

раствора, ккал/'м3. град; кг/'м3;

Тц - начальная температура цемента, град;

- радиус шпура (штанги), м; I . - величина заглубления стержня в растворе, см; К - отношение диаметра стержня к диаметру шпура;

¿1С« ]Г См ~ суммарные ватраты на проходку, крепление и поддер-"' хание выработок деревянными рамами и металлически-

ми арками, руб/м; С п. - стоимость выемки 1 мэ породы, руб/мэ; 5 - площадь поперечного сечения выработки, м2;

- коэффициент, учитывающий ежегодный объем перекрепления ;

Т*. - срок службы выработки, годы;

- норма выработки, рам, арок/смен; Тс " тарифная ставка, руб;

$ - диаметр верхняка, м;

- коэффициент, учитывающий дополнительную заработную плату и северные надбавки;

$ - количество стоек, шт.;

- длина стойки, м;

£ ^ - длина верхняка, м;

Ц о ~ цена 1 м3 материала деревянной крепи, руб/м3; И - периметр выработки, м;

- толщина затяжки, м;

Ц> - цена 1 м3 деревянной затяжки, руб/м; Й1| - коэффициент, учитывающий увеличение сечения выработки на образование свода;

- вес 1 пог. м спецпрофиля, кг; Цп ■ чэка 1 кг спецпрофиля, руб/кг.

аЛЯЯСЧЗНШЗ

В работе на основе аналитических, лабораторных и широких натурных. экспериментов изложены научно-обоснованные технические и технологические решения, обеспечивающие безопасное и экологически эффективное крепление капитальных горних выработок в условиях многолетней мерзлоты, что вносит значительный вклад в научно-технический прогресс горной промышленности.

Основные выводы, научные и практические ревульгаты работы заключаются в следующем: в настоящее время на горных предприятиях Севе» ро-Востока Российской Федерации повсеместно осуществляется перевод шахт на регулируемый тепловой ре ми, при котором обеспечиваются нормальные условия труда и наивысшая производительность горнорабочих

5а счет широко внедрения современных типов машин и механизмов по добыче полезного ископаемого.

При всех очевидных преимуществах регулируемого теплового режима нельзя не согласиться с тем фактом, что при этом значительно ухудшаются условия работы крепей из-за изменения температурного поля окружающих выработки пород и связанных с ним процессов.

Для успешной эксплуатации выработок при таких условиях необходимы: дальнейшее совершенствование методов крепления и постепенный переход к новым, ранее не применявшимся или малоприменявшимся типам крепей с повышенной несущей способностью или работоспособностью, выбор типа и параметров которых должен осуществляться . на достаточно проверенных научных разработках.

В работе исследованы основные вопросы крепления и поддержания горных выработок в различных температурных и горно-геологических условиях, рекомендованы наиболее, рациональные, на данной этапе, типы и параметры новых для многих шахт Северо-Востока типов крепей: штанговой, металлической рамной и арочной, комбинированной.

Основная научная проблема для шахт области многолетней мерзлоты - это правильная оценка напряженно-деформированного состояния массива и нагрузок на крепь при протаивании мерзлых пород, окружающих горные выработки. Так как точное математическое решение такой задачи до сих пор представляет известную трудность, в работе предложены приближенные методы оценки нагрузок на крепь и размеров упруго-пластических зон вокруг выработок, исходя из температурного поля пород. Такой подход к вопросу выбора параметров крепей создает в некоторых случаях значительный расчетный запас, но тем не менее обеспечивает безопасную работу крепей и устойчивость выработок любого срока службы, так как учитывает специфику эксплуатации выработок в условиях мерзлоты.

Основные положения диссертации опубликованы в спздувда работах:

1. О рациональных пределах регулирования теплового режима шахты Беринговская. "Колыма", N 8, Магадан, 1966 г. с. 16-18.

2. Оценка условий труда на горных предприятиях Северо-Востока. Труды ДВПИ. т.84. Владивосток, 1971 г., 48.

3. Оценка эффективности применения металлической арочной крепи на шахтах Якутии и Магаданской области. "Колыма", т.8, Магадан, 1973

• 23 -

г., с.18 (соавторы Ф.М.Киркнер, В.Н.Скуба).

4. Моделирование нестационарного теплообмена в горных выработках Труды всесоюзного совещания по горкой теплофизике. ЛГИ, Ленинград, 1973 г., с. 56-58 (соавторы И.В.Авксентьев, Ю.К. Мальков).

5. Экспериментальные исследования динамики оттаивания пород вокруг выработки в условиях многолетней мерзлоты. Труды всесоюзного совещания по горной теплофизике, ЛГИ, Ленинград, 1973 г., с .63-64 (соавтор В.Н.СкуОа).

6. Методика расчета и выбор параметров крепи на шахтах зоны многолетней мерзлоты. "Колыма", N 4, Магадан, 1974 г., с. 19-21 (соавторы Н.А.Быков, И.В.Авксентьев).

7. Проблемы травматизма при проведении горных выработок. Труды ДЕЛИ, Владивосток, 1974 г., с . 34-36 (соавтор В.И.Коротков).

.8. Исследование работоспособности крепи в условиях многолетней мерзлоты. В сб. Горное давление. ИГД СО АН СССР, Новосибирск, 1975 г., с. 5 (соавторы В.Н.Тролуков, Ю.С.Тараскин).

9. Оценка условий труда при проектировании и креплении горных выработок. Труды ДВПИ, Владивосток, 1975 г., с. 25 (соавтор В.И.Коротков).

10. Приближенный метод определения нагрузок на крепь при оттаивании интенсивно-трещиноватых пород, В сб. Горное давление. ИГД СО АН СССР, Новосибирск, 1975 г., с . 8-10 (соавторы Н.А.Быков, Ю.С.Тараскин) .

11. Исследование и выбор параметров крепи на шахтах Магаданской области. В сб. Горное давление. ИГД СО АН СССР, Новосибирск, 1°77 г., с . 18-20 (соавторы И.В.Авксентьев, Ф.М.Киржнер).

12. Оценка области применения металлической арочной крепи и теплоизоляции в условиях многолетней мерзлоты. Добыча угля подземным способом. ЦЩШЭутоль, II 4, Москва, 1977 г., с . 7-9 (соавтор И.В.Авксентьев).

13. Метод расчета нагрузок на крепь в интенсивно-трещиноватых мерзлых породах с учетом засоленности массива. В сб. Проблемы^горного дела Севера, ЯЗ СО АН СССР, Якутск, 1981г., с . 12-13.

14. Исследование и выбор параметров арочной крепи на шахтах Севера. Г® СО АН СССР, Якутск, 1982 г., С. 16. =

15. Методические указания по определению нагрувок на крепь капитальных горных выработок для угольных шахт области многолетней 'мерзлоты. ЧФ СО АН СССР, Якутск, 1684 г., с. 126.

16. Способ теплоизолирующего крепления горных выработок в уело-

ымх miiv; ./л-, ¡ней мерзлоты. A.C. N 1196514, БИ, N 2, Москва, 1985 г. (соавторы Л.Б.Зимин, В.Л.Черняк).

17. Обеспечение безопасности труда при креплении горных выработок, Труды ДЕЛИ, Владивосток, 1985 г., с .82 (соавторы В.И.Коротков, Ю. Н.Нисковский).

18. Методические рекомендации по оценке и совершенствованию труда на угольных шахтах зоны многолетней мерзлоты, ЯФ СО АН СССР, Якутск, 1986 г., с. 110 (соавторы А.В.Цыганков, В.И.Коротков, В.Н.Скуба).

19. Безопасность труда на угольных шахтах Дальнего Востока. ДВПИ. Владивосток, 1986 г., с . 66 (соавторы В.И.Коротков, Ю.Н.Нис-ковский).

20. Терморегулируемая арочная крепь. A.C. N 1208254, Ш, N 4, Москва, 1986 г., (соавторы Л.Б.Зимин, В.П.Черняк).

21. Результаты расчетного анализа теплоизолирующего крепления. В кн. Тепловые расчеты в горном деле Севера. Як/тек, 1987 г., с . 17-18 (соавторы Л.Б.Зимин, В.П.Черняк).

22. Способ бетонирования тоннеля в условиях отрицательных температур. A.C. N 1446322, БИ, N 47, Москва, 1988 г., (соавторы Е.М.Глазунов, В.П.Черняк).

23. Теплоизолирующая крепь горных выработок в условиях многолетней мерзлоты и способ ее возведения. A.C. N 1473422, БИ, N 17, Москва, 1989 г. (соавтор Л.Б.Зимин).

24. Терморегулируемая крепь. A.C. N 1539322, БИ. N 4, Москва, 1990 г. (соавтор В.П.Черняк).

25. Шахтный теплоизолирующий экран-крепь. A.C. N 1578363, БИ, N 26, Москва, 1990 г. (соавтор К.Н.Коновалов).

26. Концепция оптимального развития угледобывающих предприятий на Дальнем Востоке. В сб. "Угольная промышленность Приморья", Владивосток, 1994 г., с . 76.

27. Методические указания по проектированию крепи для горных выработок, ДВПИ, Владивосток, 1994 г., с. 28.

/У/УУ ja*r /V