автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Обеспечение устойчивости подготовительной выработки в зоне интенсивного проявления горного давления локальным воздействием на вмещающие породы

Министерство угольной промышленности Украины цкое производственное объединение по добыче угля «Донецкуголь»

О 9 ФЕВ '

Лаптеев Александр Анатольевич

УДК 622.281

Обеспечение устойчивости подготовительной выработки в зоне интенсивного проявления горного давления локальным воздействием на вмещающие породы

05.15.02.-Подземная разработка месторождений полезных ископаемых

лтореферат диссертации на соискание ученой степени андидата технических наук

Донецк - 1997

Диссертацш представлена в форме рукописи.

Работа выполнена в Государственной холдинговой компании «Донутоль», а также в Донец! учебно-научно-производственном горном объединении

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор, Александров Сергей Николаевич, Донецкий государсгвещщй технический университет, проректор по учебной работе

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор,

Пудак Валентин Васильевич,

п.о. «Донецкутоль», генеральный директор

кандидат технических наук, старший научный сотрудник,

Костенко Виктор Клементьевич

НИИГД, заведующий отраслевым отделом

Ведущая организация:

ГОАО коиплексный научно-исследовательский и проектно-конструкторсюш институт ] проблемам Цешрального района Донбасса (ДонНИИ)

Защита диссертации состаггся "22." 1998 г. в U**1 часов ira заседаю

специализированного ученого совета К. 06.05.01 в производственном объединении «Донсцкутош по адресу: 340055, г. Донецк, ул. Университетская, 20

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке объединения «Донсцкуголь»

Автореферат разослан «¿¿> » 1997 г.

Ученый секретарь специализированного ученого сове канд. техн. наук С. И. Егоров

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации.

Несмотря на большое количество разработанных средств и способов обеспечения стойчивости выработок, проблема сохранения их эксплуатационного состояния в зонах нтенсивного проявления горного давления остается актуальной. Наиболее типичными [пуациями является надработка полевых или групповых выработок и отработка лав обратным одом при столбовой и комбинированной системе разработки. С учетом сложившегося состояния 5рных работ на угольных шахтах Украины, характеризующегося высокой степенью развития чистных работ как правило на нескольких сближенных угольных пластах, вышеуказанные яшчные ситуации, в которых поддерживаются подготовительные выработки, встречаются все 1Щс и чаще. Так около 15% всех полевых выработок попадают под влияние прямой или эсвешшй надработки в течение своего срока службы. Более 60% выемочных штреков и ходков ;пытывзют воздействие динамического опорного давления, перемещающегося впереди шжущихся очистных забоев. На практике обеспечение устойчивости таких выработок достигают цце всего применением стоечных крепей усиления в зонах интенсивного воздействия горного (вления. Однако опыт показывает, что стоечные крепи усиления выполняют свои функции [овлетворительно только в 30% случаев. Чаще всего крепи усиления не выдерживают нагрузки и »маются. С другой стороны при низкой прочности (30-40МПа) породы разрушаются и ¡ыгрывают стойки усиления, образуя вывалы. Оба случая весьма опасны и нарушают хнологию очистных работ в целом. Друте способы обеспечения устойчивости выработок, нованные на локальной разгрузке применяются в практике весьма редко и не определяют юпггабы массового применения. Тзким образом, необходимость разработки нового способа еспечення устойчивости подготовительной выработки в зоне интенсивного воздействия горного вления очевидна.

Связь диссертации с планамн научной работы.

Выполненная работа является составной частью научных исследований, традиционно лолняемых при п. о. Донецкуголь, в той числе с участием Донецкого горного инс-ппутз по натике обеспечения устойчивости подготовительных выработок.

Целью работы является разработка способа обеспечения устойчивости подготовительной работки в зоне интенсивного проявления горного давления на основе локального воздействия вмещающие породы.

Идея работы состоит в управлении состоянием подготовительной выработки путем [центрированного воздействия на локальные участки вмещающего выработку массива горных ?од.

Научная новизна результатов диссертации состоит в следующем:

1. Впервые показано, что обеспечите устойчивости подготовительной выработки в зо1 интенсивного (уН/Я>0,55) проявления горного давления с использованием широк применяемых средств усиления крепи и вмещающих пород может быть реально достигну] лишь путем сочетания локального комбинированного концентрированного воздействия I наиболее опасные участки разрушающихся пород,

2. Установлены особенности влияния крепи усиления, отличающиеся тем, что она благоприяти перераспределяет горизонтальные нормальные и касательные напряжения в наиболее опасны зонах локального разрушения пород и практически не влияет га вертикальную компонст нормальных напряжений. При этом уменьшается уровень растягивающих напряжешш, или он исчезают совсем и снижаются касательные напряжения. Ото приводит к некоторому (на К 15%) уменьшению площади разрушения вмещающих выработку пород. Однако в целом зон разрушения остаются и могут быть использованы в роли локальной разгрузки.

3. Обоснован теоретически и подтвержден экспериментально новый принцип обеспечен» устойчивости выработок в зоне интенсивного проявления горного давления, отличающийся с известных тем, что он использует совмещение отпора усиливающей крепи, ее податливости ограничение степени свободы разрушенной породы в опасной зоне.

Обоснованность и достоверность основных результатов работы подтверждены теоретическом шине совпадением результатов численного моделирования процессов зарождени и развития локальных зон разрушений с помощью нелинейной процедуры метода конечны элементов и методом дискретных сред В экспериментальном плане достоверность фаю локальности разрушения и эффективности концентрированного воздействия на него подтвержден результатами обследования рассечек перекрепляемых выработок и наблюдениями за сдвижение вмещающих пород с помощью глубинных реперов.

Практическое значение полученных результатов состоит в следующем:

1. Разработана новая комбинированная крепь усиления, состоящая из трех анкеро: установленных веерообразно в шпуры, пробуренные го одной точки в цешре опасно области. Концевые участей анкеров, выступающие в полость выработки скреплены меж,т1 собою планкой, под которую устанавливается гидравлическая стойка обеспечивающая отпор управляемую податливость разрушенных пород.

2. Установлены рациональные параметры комбинированной анкерно-стоечной кустовой крен усиления: взаиморасположение анкеров, их длина, диаметр и тип закрепления; рекомендуема несущая способность крепи в целом и ее составляющих компонент в отделыгосп Проведенная опытно-промышленная проверка новой крепи подтвердила ее эффективность сложных горно-геолошческих условиях.

3. Установлены коэффициенты учета влияния крепи усиления на смещения кровли выработки в зоне опорного давления впереди лавы в зависимости от несущей способности крепи и область ее применения. Установленные коэффициенты дают возможность подбирать параметры комбинированной усиливающей крепи в практике работы технологов и проектировщиков.

Реализация выводов и рекомендаций работы осуществлена на шахте Южно-Донбасская при обеспечении устойчивости полевых штреков гор. 480м в зоне интенсивного влияния смежных очистных работ. Годовой экономический эффект от реализации новой крепи усиления ¡оставляет 75 тысяч гривен.

Апробация результатов диссертации проведена 1а Международной конференции по -еомеханической поддержке горного производства (София, Болгария, 3-7 июня 1997); на Обилейной научно-технической конференции механико-машиностроительного факультета ГГАУ Днепропетровск, 24-25 октября 1996); на ежегодных научных конференциях ДонГТУ по эассмотренига законченных научно-исследовательских работ. Кроме того отдельные части работы укладывались на научно-технических совещаниях п.о. Донецкуголь, а также шахт Южно-]рнбасская №1 и Дзержинская.

Публикации основных положений диссертации осуществлены в двух статьях Известий Донецкого горного института ДонГТУ, трудах международной конференции и одной «цензированнон брошюре (всего 4 полноценные публикации).

Структура работы: диссертация содержит введение, заключите, 5 разделов, 2 |риложепия. Изложена в рукописи на 134 стр. текста и содержит рисунков найстр., 2 таблиц и 2 яр. и2&тр. приложения, а также список использованных источников из V 2>7наименований.

Автор выражает благодарность д. т. к Назимко Е.И. за помощь и консультации при роведении компьютерного численного моделирования распределения напряжений и годелирования кинетики сдвижений пород вокруг выработки под действием интенсивного орного давления (разделы 2, 3 диссертации).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Проблемой устойчивости подготовительных выработок занималось подавляющее олышшство исследовательских институтов Украины, стран СНГ и дальнего зарубежья, радиционные школы ученых, которые сформировали современные представления о механизме ормирования зон разрушения вокруг подготовительных выработок сложились в ДГИ(ГГАУ), ГТМ НАН Украины, ДПИСЦонГТУ), МакИСИЩАСА), КГМИ(ДонбГМУ). Значительный вклад

в развитие пошшаиия проблемы внесли институты России и Казахста1и. Конкретизир) направление исследований, отмени, что в изучении проблемы усиления выработок в зош гаггенсивного проявления горного давления большее участие принимали научные школы МГП ДонГТУ, ДонУГИ, ДонНИИ, ВНИМИ, 1ТАУ, СПбГУ.

В целом анализ выполнешсых ранее исследований показал, что одним из наиболе перспективных направлений обеспечения устойчивости подготовительных выработок в зот интенсивного влияния очистных работ является применение локальных воздействий г вмещающие породы путем установки крепи усиления, тампонажа опасных локальных 301 установка анкерной крепи, сооружение искусственных опор. Однако далеко не всегда эт мероприятия дают достаточный эффект. Поэтому некоторые исследователи начиная: использовать комбинации вышеприведенных средств. В частности предложено совместно применение крепи усиления и тампонажа закрепного пространства. По-видимому выбор той ил иной комбинации определяется напряженно-деформированным состоянием вмещающих пород динамикой его изменения в зоне активного влияния очистных работ.

Таким образом проведенный анализ дает возможность определить следующие направлени исследований:

• Исследовать псрераспределе!ие деформаций вмещающей толщи в зоне акгавного влияни очистных работ.

• Разработать и апробировать в промышленности новые способы обеспечения устойчивост выработки применением локальных воздействий на вмещающие породы.

Для выполнения поставленных исследований в работе предусмотрено применение шахтны инструментальных измерений за сдвижением вмещающих выработку пород, метод физическог моделирования на эквивалентных материалах, математическое численное моделирование.

Как показал анзлнз данных ранее проведенных исследований, ни один из широк применяемых на практике способов охраны выработок не обеспечивает их удовлетворите льну] устойчивость в зонах интенсивного проявления горного давления. Автор выдвигает обосновали нового способа обеспечения устойчивости подготовительной выработки в зоне интенсивног проявления горного давления, основанного на комбинированном применении анкерной крепи : крепи усиления.

Для анализа динамики изменения напряженно-деформированного состояния данна проблема рассмотрена на примере надработки магистрального штрека шахты Западно-Донбасска п.о. Павлоградутоль. Глубина работ составляет 400-420м, в настоящее время одновременн отрабатываются сближенные пласты С8" и С8". Вынимаемая мощность пластов составляет 1-1, Мощность междупластья колеблется в интервале 4-6м, вмещающие породы представлены

сновном аргиллитами и алевролитами с прочностью на одноосное сжатие 8-10МПа. Предельно шкая прочность вмещающих пород и склонность их к ползучести обуславливает крайне тяжелые бстоятельства для поддержания подготовительных выработок. Аналнз состояния магистрального гтрека №2 выполнен при ретроспективном анализе перераспределения горного давления по мере азвигия горных работ (рис. 1,а). После этого решена задача о механизме разрушения пород округ птгрека в наиболее неблагоприятный момент перехода лавы через створ выработки, асчетная схема для решети второй задачи показана на рис. 1,6. В качестве граничных условий ри этом использовались результаты решений первой задачи. Аналнз напряженного и предельного эстояния вокруг ЮМОШ осуществлялся нелинейной процедурой метода конечных элементов, [о мере расчетов результаты численного моделирования сопоставлялись с данными нструментальных наблюдений за проявлениями горного давления. Это повысило достоверность ;зультатов исследований в целом и дало возможность правильно определить направление овышепия устойчивости выработок.

О 200 40 О 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

а

Рис.1 Граничные условия (а) и расчётная схема (б) при моделировании процесса разрушения и его развития методом конечных элементов

Анализ показал, что во-первых, разрушение пород у контура выработки под действием гтенсивного горного давления отпмается ярко выраженной локальностью (рис. 2,а). Во-вторых, эль разрушения выполняют растягивающие напряжения в почве, и касательные на фоне 1стягшшощих в кровле при арочной форме сечения выработки. В третьих, разрушение тровождается интенсивным разуплотнением пород в полость выработки. Указанные :обенности впервые рассматриваются в неразрывной совокупности. Подчеркнем, что натурными 1блюдениями надежно подтвержден локальный характер зарождения и развития разрушений «с. 2,6).

Рис. 2 Контуры запредельных зон вокруг магистрального штрека при надработке его лавой

Исходя ш трех вышеуказанных особенностей, в данной работе предлагается обосновывается новая комбинированная крепь усиления выработок в зоне интенсивно проявления горного давления. Эта крепь должна одновременно управлять напряженны состоянием локальных разрушающихся зон и препятствовать сильному разуплотнени разрушившихся пород. Первую задачу наиболее эффективно решают анкерные крегш 1С породные болты. Вторая проблема традиционно элиминируется с помощью стоечных крепе усиления. Оба средства являются идеальными с точки зрения локальности и избирательное! воздействия на вмещающие породы.

При выборе конкретной схемы комбинированной крепи следует иметь в виду, чт традшдюнно применяемая радиальная схема установи! анкеров в данном случае не дас заметного эффекта. Во-первых, при радиальной относительно контура выработки установи-анкера будут рассредоточены по контуру, в результате чего теряется эффект локальности. В( вторых, при радиальной установке породных болтов невозможно обеспечить их тесно взащюдействие с уешпгаающен стойкой. Наиболее эффективное управление растягиваюоаш напряжениями достигается при ориентации болтов вдоль градиентов растягивающих напряжени (или перпендикулярно их изолиниям). Исходя га вышесказанного, рациональной схемо. установки комбинированной крепи усиления является схема, изображенная на рис. 3.

Ясно, что всем указанным требованиям и ограничениям удовлетворяет вариант, когда зоне разрушения устанавливают не менее двух расходящихся анкеров, скрепленных вмест концевыми участками с помощью уголка, причем узел скрепления подперт стойкой усиления (см рис. 3,а). Такая схема установки максЕшально удовлетворяет локальности воздействия, поскольку все средства крепления сконцентрированы в наиболее необходимом месте. Анкера охватываю породную складку и ограничивают возможность ее развития. Скрепление анкеров между собо!

в

1 - анкеры или породные болты;

2 - стойки

Рис. 3 Схема комбинированной крепи усиления

усиливает их суммарное сопротивление разрушению и сдвижешпо пород. При этом общш дополнительный эффект превышает простую сумму эффектов от двух отдельно установлении; анкеров. Наконец, фиксированная установка стойки под место соединения анкеров дополнителик усиливает данный узел. Стык стойки с узлом соединения анкеров играет еще одну весьма важиук роль. Усилие от стойки передается и распределяется через анкера вглубь массива, что увеличивает степень общего укрепления пород в локально разрушенной зоне. Поскольку распределение усилш от стойки носит пространственный характер, в практике будет применяться три анкера под ода} стойку. Если анкеры применять как основную крепь подготовительной выработки, их удельны! расход на погонный метр выработки остается практически одинаковым. Другими словами тот факт, что под каждую стойку усиления концентрируется по три анкдэа, увеличивает общее число анкеров на погонный метр выработки несущественно. Ориентировочная оценка показывает, что расход анкеров возрастает на 12-20%, а общая себестоимость крепления выработки увеличивается всего на 5-7%.

Конечноэлементное моделирование напряженного состояния вмещающих выработку пород, в котором она усилена стойками, установленными вертикально под каждый узел сцепления расходящихся анкеров показало следующие особенности. Наиболее заметно изменение горизонтальной компоненты нормальных напряжений: в почве почти исчезло растяжение. Более радикальное изменение распределения касательной компоненты зарегистрировано со стороны подходящей лавы. Закономерно, что такое перераспределение привело к уменьшению зоны разрушенных пород в почве (0,55 против 0,64 в контрольном эксперименте, где усиление не применялось). В кровле размер зоны разрушения практически не изменился.

Несмотря на заметное уменьшение площади зон разрушенных пород под локальным воздействием комбинированной крепи усиления, сами зоны остались. Это означает, что даже применение новой крепи усиления с разумной несущей способностью не устраняет самого процесса локального разрушения пород. Однако новая комбинированная крепь усиления обеспечивает предпосылки к обеспечению устойчивости выработки за счет ограничения подвижности и степени свободы разрушившейся породы.

Результаты компьютерного моделирования процесса сдвижения пород проводившегося методом моделирования динамики зернистых сред, подтверждают высказанное предположение. Метод основан на представлении анализируемой среды в виде отдельных частиц, которые перемещаются независимо друг от друга и взаимодействуют между собой через точки контакта.

Расчеты кинематики сдвижений породных блоков в кровле выработки проводились при начальных и граничных условиях, аналогичных тем, при которых осуществлялось численное моделирование с помощью метода конечных элементов. Для удобства моделирования сечение выработки принималось прямоугольным. Процесс сдвижения в кровле выработки прослеживался

течение 90 ООО расчетных циклов. Всего было решено три задачи: первая - для реакции ыработки на интенсивное проявление горного давления без крепи усиления; вторая - при становке расходящихся клиновых породных болтов, сцепленных выступающими концами между обой; третья - при усилении выработки новой комбинированной крепью.

На рис. 4,а приведены реальные положения породных блоков на 90000-ном цикле сонечном этапе расчета). Анализ показал, что полный отрыв пород от вышележащего массива роисходит при вертикальных опусканиях порядка 25 мм, а в кровле формируется вывал рямоугольной формы (рис. 4,а и 4,6).

На рис. 4,в показаны фрагменты состояния расчетной области при использовании в ыработке новой комбинированной крепи усиления. Анализ кинематики сдвижений на конечном гапе моделирования показал (рис. 4,г), что границы зон локальных высыпаний габшшзировались, а выработка сохранила устойчивость.

Таким образом, распределения горизонтальных и вертикальных смещений в кровле дработки наглядно продемонстрировали локализующее действие новой комбинированной крепи яшения и показали конкретно, как она ограничивает степени свободы разрушившихся пород, ругими словами, новая крепь с разумной несущей способностью не может полностью эедотъратить разрушение пород, однако ее благоприятное воздействие заключается в том, что а дает возможность реализоваться незначительным подвижкам разрушенных пород в полость ¿работки, а затем затормозить процесс сдвижения путем ограничения степени свободы области □рушившихся пород. Именно этим механизмом объясняется положительный эффект, гстигаемый с помощью новой крепи усиления.

Исследованиями, проведенными автором в данной работе установлено, что под каждую ойку усиления 2 следует устанавливать три анкера или породных болта 1 (рис. 3,а). При этом мпы должны быть сцеплены между собой выступающими в выработку концами, ространственный угол, образуемый болтами должен составлять 65-85 стерадиан. Меньшее ачение соответствует укреплению плоских кровель, большее - выработкам арочной формы, аибольший прирост положительного эффекта обеспечивается при длине болтов до 0,4-0,5 днуса выработки, что составляет для большинства случаев около 2м.

Диаметр таких анкеров составляет для случаев крепления выработок в зонах интенсивного юявлсния горного давления порядка 20мм. Несущая способность таких крепей составляет от 100 1200 кН в зависимости от марки стали, из которой изготовлен анкерный стержень и способа его крепления в шпурах.. Узел скрепления породных болтов между собой должен быть прочным и рошо состыковываться со стойкой усиления. В качестве стоек усиления целесообразно

II ! I I I II II Т II I Г

! I I I I и I:

1

18!!!

а, в - вид вывалов и распределение вертикальных сдвижений без крепления

б, г - тоже с применением новой крепи усиления

Рис. 4 Характер разрушения кровли по данным компьютерного моделирования с помощью дискретной модели движущихся частиц

применят!, гидравлические стойки с несущей способностью 100-200 кН, т.к. они могут обеспечить податливость комбинированной крепи.

Автор рассматривает применение предложенной комбинированной крепи в контексте ишользовагаи анкерной в качестве основной. Это в несколько раз увеличивает экономическую зффективность способа крепления в целом, поскольку анкерная крепь устанавливается не специально как дополшггеяьная к ранее возведенной стащюнариой (чаще всего арочной податливой), а как самостоятельная. В этом случае она выполняет совместно со стойкой зременные функции усиливающей крепи. Таким образом, в значительной степени функции стационарной и усиливающей крепи объединяются.

Конечная цель комбинированной крепи усиления состоит в уменьшении смещений на <онтуре выработки в зоне интенсивных проявлений горного давления до приемлемых величин. Поэтому конечным технолопгееским параметром любой усиливающей крепи является соэффициент учета ее сопротивления на уменьшение смещений. Установлены поправочные .шожигели к коэффициенту учета сопротивления традиционной стоечной крепи усиления по щиым МГИ. С учетом установленных поправочных множителей коэффициенты учета влияния срепи усиления приведены в таблице.

Таблица

Значение коэффициента уменьшения вертикальной конвергенции на контуре выработки от ¡еличины несущей способности комбинированной крепи усиления согласно исследованиям автора

Тип породы Удельное сопротивление крепи, кН/и 2

60 120 150 240

Крупнослонстый алевролит 1,0/140* 0,9/120 0,9/110 0,9/100

Мелкослоистый алевролит 0,45/200 0,42/180 0,3/160 0,15/140

Крупнослонстый арпилнт 0,8/180 0,6/160 0,4'130 0,22'120

Мелкослоистый аргиллит 0,9/300 0,85/290 0,82/280 0,80/280

* В знаменателе указана необходимая податливость стойки усиления в мм.

В верхней части таблицы приведена суммарная несущая удельная способность :омбинированной крепи усиления. Установлено, что при этом несущая способность анкеров н ■тонки усиления должны быть соизмеримы и отличаться не более чем на 30%. При большем 1ТЛИЧИИ положительный эффект комбинации анкерной и стоечной крепи резко уменьшается.

Эффеклгвность новой комбинированной крепи усиления возросла в 1,1-1,3 раза. При этом [аиболее заметное улучшение достигнуто для слабых вмещающих пород. Так, за счет ограничения тепенн свободы разрушешгых пород новая комбинированная крепь дает возможность усиливать [аже слабые породы прочностью около 2О-30МШ. Это невозможно при нспользованш! радиционнон крепи усилегшя. Породные бо.тты ограничивают степень свобода разрушенным

породам и препятствуют го вывалу в кровле. Такое преимущество весьма важно в практш отработки запасов в сложных условиях.

Опытно-промышленная проверка новой комбинированной крепи усиления проводилась условиях шахты «Южно-Донбасская №1» п. о. Донецкуголь. Для проведмшя эксперимеша бы выбран конвейерный ходок 23-й восточной лавы. Шахтные измерения сдвижений пород в кровл выработки производились с помощью глубинных реперов. Измерешта сдвижений пород началис при подходе лавы к экспериментальному участку на расстояние 100 м и закончились при удален« лавы от экспериментальной станции на 40 м, когда выработка была погашена. Всего был произведено 9 замеров, в процессе которых было снято около 240 отсчетов.

Экспериментальная станция была оборудована десятью комплектами комбинированно, крепи усиления, установленной между рамами стационарной крепи. При этом использовалис металлополимерные анкеры из арматурной стали диаметром 20 мм. Каждый анкер длиной 1,8 1 закреплялся по всей длине шпура с помощью полимерной фенолформальдегвдной смол отечественного производства, поставляемой в ампулах. Между каждой рамой устанавливалось тр] сталеполимерных породных болта, образующих пространственный угол 80 стерадиан Выступающие части болтов скреплялись общей планкой, под которую устанавливалас; деревянная реммпина.

Заметное влияние накатывающейся лавы обшружено при ее подходе к экспериментально! станции на расстояние 50 м к станции, когда максимальное разуплотнение пород кровли достиг® 140 мм и образовалась разрушенная зона пород на глубину 3 м. Последующее приближение лавь на расстояние 10 м к замерной станции привело к поступательному перемещению зонь разрушенных пород на величину 35 мм, на интервале 0-Зм от контура выработки. При подход! лавы в створ с наблюдательной станцией картина сдвижений изменяется качественно Наблюдается стабилюация сдвижения разрушенной кровли и дальнейшее разушотнеюк вышележащих пород. После удаления лавы на расстояние 20, а затем 40 м от замерной стапцш процесс дальнейшего сдвижения пород кровли протекал за счет продолжающегося разуплотненш вышележащих пород в интервале 3-6 м от устья скважины и поступательного перемещения разрушенного блока породы на участке 0-3 м.

Податливость жесткой ремонтины обеспечивалась за счет вдавливания ее в пучащук почву. Это способствовало управляемой податливости анкерно-кустовой крепи усиления. Тройки сцепленных сталеполимерных болтов ограничивали при этом степень свободы разрушенного блока пород и препятствовали его вывалу. За пределами экспериментального участка такие вывалы или продавливание верхняка арочной крепи наблюдались на 30% протяженности выработай. Контрольные замеры на рядовых участках выработки показали, что смещение кровли превышало аналогичное смещение на контрольном участке в 1,8-2,2 раза.

Таким образом, проведенный эксперимент подтвердил эффективность разработанной новой комбинированной крепи усиления. В настоящее время предусматривается расширение использования данной крепи на шахте «Южно-Донбасская №1» ГХК Донуголь и шахте «Дзержинская», входящей в состав Донецкого учебно-научно-производственного горного объединения ДУНПГО.

ВЫВОДЫ

В диссертации теоретически обоснован и экспериментально подтвержден принцип ¡охранения устойчивости выработки с применением новой крепи ее усиления, сочетающий )грзничеиие степени свободы разрушенных пород в процессе их деформации с одновременным (граничением их перемещения в полость вырзботки, который имеет существенное значение для >беспсчсння устойчивости подготовительных выработок в зонах интенсивного проявления ориого давления.

Основные результаты, выводы и рекомендации состоят в следующем:

1. При попадании подготовительной выработки в зону интенсивного проявления горного ¡авления весьма характерной особенностью является локальное разрушение вмещающих пород в ровле и почве выработки. При прочности вмещающих пород ка сжатие порядка 30-50МПа и лубине расположения выработки не менее 500м суммарная площадь разрушения достигает 0,97 лощади сечения выработки, а первоначальное сечение уменьшается в 2 раза. Такое разрушение опровождается несимметричным перераспределением напряжений в окрестности выработки, что ще больше усиливает локальный характер процесса.

2. На основании проведенного анализа предложен новый способ управления состоянием мешающих выработку пород. Этот способ основан на совмещении отпора усиливающей крепи, г податливости и ограничении степени свободы разрушенной породы в опасной зоне. Способ еадизован с помощью комбинированной крепи усиления, состоящей из трех анкеров, гтановленных веерообразно в шпуры, пробуренные из одной точки в центре опасной области, лицевые участки анкеров, выступающие в полость выработки скреплены между собою планкой, од которую устанавливается гидравлическая стойка, обеспечивающая отпор и управляемую одатливосгь разрушенных пород.

3. Выполненное с помощью метода конечных элементов компьютерное моделирование грераспределения напряжений и зон разрушений вокруг выработки па участке интенсивного роявления опорного давления показало, что новая комбинированная крепь усиления тагоприятно перераспределяет горизонтальные нормальные и касательные напряжения в

наиболее опасных зонах локального разрушеша пород и практически не влияет на вертикальну компонету нормальных напряжений. При этом уменьшается уровень растя швающт напряжений, или они исчезают совсем и снижаются касательные напряжения. Это приводит некоторому (на 10-15%) уменьшению площади разрушения вмещающих выработку пород. Одна* в целом зоны разрушения остаются и могут быть использованы в роли локальной разгрузки.

4. Моделирование кинематики сдвижений вмещающих выработку пород под действие интенсивного горного давления подтвердило, что в условиях, когда формируется экстенсивны вывал в кровле анкерная крепь не в состоянии его локализовать. Она лишь незначительи уменьшает его площадь. Новая крепь усиления решает задачу локализации вывала кровли.

5. Распределения горизонтальных и вертикальных смещений в кровле выработки наглядн продемонстрировали локализующее действие новой комбинированной крепи усиления и показал конкретно, как она ограничивает стелет свободы разрушившихся пород. Другими словами, нова крепь с разумной несущей способностью (200кН) не может полностью предотвратить разрушеш: пород однако ее благоприятное воздействие заключается в том, что она дает возможном реализоваться незначгггельным подвижкам разрушенных пород в полость выработки, а зате: затормозить процесс сдвижения путем ограничения степени свободы области разрушившихс пород. Именно этим механизмом объясняется положительный эффект, достигаемый с помощы новой крепи усиления.

Таким образом численное компьютерное моделироваше подтвердило эффективное! новой комбинированной крени усиления и объяснило механизм ее работы.

6. Установлены рациональные параметры комбинированной анкерно-стоечной кустово: крепи усиления:

Пространственный угол, образуемый породными болтами или анкерами должен составлят 65-85 стерадиан. Меньшее значите соответствует укреплению плоских кровель, большее выработкам арочной формы. Длина анкеров или породных болтов должна находиться в предела 1,5-2м. Диаметр анкерного стержня в пределах 20мм. Предпочтительнее при этом применени сталеполимерных анкеров или породных болтов вместо анкеров, закрепляемых в конце гштур механическим замком.

Суммарная несущая удельная способность крепи усиления должна составлять 60-240к1Ъ Установлено, что при этом несущая способность анкеров и стойки усиления должны быт соизмеримы и отличаться не более чем на 30%. При большем отличии положительный эффек комбинации анкерной и стоечной крепи уменьшается.

7. Установлены коэффициенты учета влияния крепи усияе1ия на смещения кров л: выработки в зоне опорного давления впереди лавы. При этом новая крепь в 1,1-1,3 раза уменьшае смещения кровли по сравнению с традиционно применяемой стоечной креныо усиления той ж

сущей способности. Весьма важно, что нова« крепь усиления расширяет диапазон ее именения для весьма слабых и неустойчивых пород за счет ограничения степени свободы зрушенной породы в своде выработки.

Разработанная градация коэффициента может быть применена для условий поддержания ¡работки в зоне опорного давления впереди лавы при отработке запасов на глубинах бОО-ХОООм и сположемда выработок в аргиллитах и алевролитах прочностью на одноосное сжатие ЗО-бОМПз.

8. Проведенная опытно-промышленная проверка подтвердила эффективность зработанной новой комбинированной крепи усиления. В настоящее время предусматривается сширение использования данной крепи на шахте «Южно-Донбасская» №1 ГХК Донуголь и ахте «Дзержинская», входящей в состав Донецкого учебно-научно-производственного горного ¡ъединения ДУНПГО.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Zborshtchik М. P., Nazimko V. V., Lapteev A. A., Vishnevetsky V. V. Stress redistribution in rock mass due to longwall extraction of contiguous seams // Geomechanical support of mining production.

- Nesebar (Bulgaria): STU of MGM - Committee of mining geomechanics. - 1997. - P. 12-14. Халимендик Ю. M., Назимко В. В., Сажнев В. II, Лаптеев А. А. Повышение устойчивости основных подготовительных выработок в зоне их последующей пздработки / - Донецк: ДонГТУ, 1997,- 111с.

Лаптеев А. А. Обоснование параметров комбинированной крепи и установление коэффициента ее влияния на устойчивость выработки // Известия Донецкого горного института. - 1997. - №6.

- С. 17-20.

Лаптеев А. А., Сажнев В. П., Назювсо Е. И. Обоснование нового типа комбинированной крепи усиления // Известия Донецкого горного института. - 1997. - №6. - С 59-61.

Личный вклад автора в приведенных публикациях:

В докладе [1] автор произвел анализ изменения горного давления в зонах опорного юления, эгпоры которых он использовзл при выборе и обосновании граничных условий для оделирования процесса перераспределения напряжений вокруг подготовительной выработки; в зошюре [2] автор выполнил математическое моделирование перераспределения напряжений жруг штрека при его нлдработке и традиционном усилении стойками. В статье [4] автор роизвея анализ напряженного состояния в плоском сечении, перпендикулярном оси выработки и эосновал новый тип комбинированной крепи усиления.

А1ЮТАЦ1Я

Лаптеев А. А. Забезпечсши стшкосп тдготовчоГ виробки у зош штенсивш прояву прського тиску локальним впливом на вмииуюч! породи. Рукопис.

Дисергацм на здобутгя паукового ступеня кандидата техшчних наук за спещалыйс 05.15.02 - гадаемна розробка родовшц корисних копалшг.- Донецьке внробниче об'сднання вндобутку вуплля "Донецьквуплля", Донецьк, 1997.

Дисертацш присвячена питаниям забезпечення стшкосп шдготовчих внробок у зов интенсивного прояву прського тиску. В робот! розвинуто новнй напрям в управлшш становищ умицуючкх виробку пород заснований на поеднуванш отпору пщсилюваючого кршлсння , йо гаддатливосп та обиежекня ступеш свобода зруйнованоГ породи у небезпечнщ зош. Установле рацюнальш параметри комбшованого агпсерно-стожового кряиення щдсшювання. Чнселып комп'ютерним моделюванням щцгвержена ефскшвшсть нового кршлення та дано поясней мехашзму И робота. Основш результата робота знайшяи свое промислове застосувашш на ря шахт Донбасу, де була гадгвержена ефекпшшсть розробленого нового комбиюаадаго кршлсш гвдсилюващш.

Ключов! слова: прыича виробка, анкер, кршлсння гйдсилювання, компьютер! моделювання.

АННОТАЦИЯ

Лаптеев A.A. Обеспечение устойчивости подготовительной выработки в зон интенсивного проявления горного давления локальным воздействием на вмещающие порода Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата техшгческих наук по специального 05.15.02. - подземная разработка месторождений полезных ископаемых.- Донецком производственное объединение то добыче угля «Донсцкуголь», Донецк, 1997.

Диссертация посвящена вопросам обеспечения устойчивости подготовительных горны? выработок в зонах интенсивного проявления горного давления. В работе развивается hoboi направление в управлении состоянием вмещающих выработку пород, основанное на совмещение отпора усиливающей крепи, ее податливости и ограничении степени свободы разрушенног породы в опасной зоне. Установлены рациональные параметры комбинированной анкерно-стоечной кустовой крепи усиления. Численным компьютерным моделированием подтверждена эффективность новой крепи и объяснен механизм ее работы. Основные результаты работы нашли

промышленное применение на раде шахт Донбасса, где была подтверждена эффективность разработанной новой комбинированной крепи усиления.

Ключевые слова: горная выработка, анкер, крепь усиления, компьютерное моделирование.

Lapteev A. A. Stability of underground roadway maintenance by local action to surrounding rocks.

Candidate dissertation thesis on specialty 05.15.02 - underground extraction of deposits. -Donetsk manufacturing association by coal mining "DonetskugoV', Donetsk, 1997.

Dissertation is devoted to the problem of stability of underground roadway maintenance under ntensive ground pressure. New scientific direction has been developed. It combines post support action, ts yield and limitation of broken ground movement in dangerous zone. New rational parameters have >ccn established for this support Efficiency of new support has been approved by computer modeling vith finite element method and discrete element technique. The results of the research has found ndustrial application in coal mines of Donbass, where efficiency of new support has been confirmed in

SUMMARY

Manuscript.

iractice.

Key words: underground roadway, rock bolt, support, mathematical modeling.

Подл, к печати 25.12.97 г. Рюографическая печать. Уч. из. л. 0,87.

Формат 60x84 '/16. Усл. печ. л. 0,85. Тираж 40 экз.

Бумага Polspeed. Усл. кр.-отг. 0,9. Заказ № 4.

Донецкий государственный технический университет

Горный институт 340000, г. Донецк, Артема 58