автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Обоснование и разработка параметров бесцеликовых способов поддержания подготовительных выработок на пологих пластах средней мощности в условиях Воргашорского месторождения

На правах рукописи

РГ В

од

Горный инженер ТАБАЛОВ Анатолий Андреевич

1 и ж

¿Ж

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПАРАМЕТРОВ БЕСЦЕЛИКОВЫХ СПОСОБОВ ПОДДЕРЖАНИЯ

ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК НА ПОЛОГИХ ПЛАСТАХ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ В УСЛОВИЯХ ВОРГАШОРСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Специальность 05.15.11 «Физические процессы горного производства»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2000

Работа выполнена в Государственном федеральном унитарном предприятии «Государственном научно-исследовательском институте горной геомеханики и маркшейдерского дела - Межотраслевом научном центре ВНИМИ» и ОАО «Воркутау голь».

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор

Воскобоев Фридрих Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор

Кузнецов Степан Тимофеевич

кандидат технических наук, доцент

Антонов Александр Александрович

Ведущее предприятие - ОАО «Гипрошахт»

Защита состоится " Оы-ЬЮ 2000 г., в£0 "часов на заседа-

нии Диссертационного Совета к. 135.06.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Государственном федеральном унитарном предприятии «Государственном научно-исследовательском институте горной геомеханики и маркшейдерского дела - Межотраслевом научном центре ВНИМИ» по адресу: 199026, Санкт-Петербург, В.О., Средний проспект, 82, ВНИМИ, в зале заседаний Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИМИ с 9 до 15 ч. 45 мин.

Автореферат разослан "

дДм

Исх. №

Льа^пи^ 2000 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

В. М. Шик

и 124, и 0

юч-и и°

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

А ктуальиость работы.

Современным требованиям обеспечения экономической эффективности и езопасности добычи угля на шахтах в наибольшей степени соответствует есцеликовая технология разработки пологих пластов при столбовой системе с □хранением подготовительных выработок на границе с выработанным про-гранством для повторного использования.

Общим признаком применяемых бесцеликовых способов и средств управ-ения геомеханическим состоянием массива горных пород является, как прави-о, пассивный принцип силового взаимодействия с массивом. Крепи выработок средства их охраны, главным образом, нарастающего сопротивления, которые зботают с горным массивом в реактивном режиме взаимодействия, выходят на абочие параметры сопротивления лишь в результате значительных величин от-осительных смещений и деформаций (до 50-60 % от вынимаемой мощности ласта), приводящих к потере устойчивости выработок.

В связи с этим назрела необходимость поисков путей совершенствования гюсобов управления состоянием массива, позволяющих оперативно управ-ять напряженно-деформированным состоянием горных пород в массиве и фи-1ко-механическими свойствами путем реализации активных способов управ-гния с целью понижения напряжений до уровня, при котором обеспечивается пительная прочность н эксплуатационное состояние выработок.

Вопросы изыскания и обоснования оптимальных решений, повышаю-[их устойчивость повторно используемых выработок являются актуальной ауч но-практической задачей, решению которой и посвящена настоящая 1бота.

Цель исследований заключалась в обосновании и совершенствовании |)фективных и безопасных способов поддержания выработок с труднообру-[ающимися кровлями в условиях Воргашорского месторождения Печорского голыюго бассейна.

Основной идеей работы является обеспечение эксплутационного поддер-ания подготовительных выработок на основе совершенствования применяе-ых и оптимизации способов разупрочнения пород кровель, существенно шжающих горное давление на крепь подготовительных выработок при их эвторном использовании.

Задачи исследований:

- изучение горно-геологических, горнотехнических условий и показателей изико-механических свойств горных пород их типизация и классификация;

- исследование проявлений горного давления и взаимодействия крепи с жовыми породами;

- разработка геомеханнческих требований к выбору соответствующего осматриваемым условиям способа охраны и поддержания выработок и обос-звание его параметров;

- промышленное испытание способа охраны выработок и оценка его эф фективности.

Методы исследования.

В работе использован комплексный метод, включающий научное обоб щение и анализ проведенных ранее исследований, экспериментальные шахт ные и лабораторные исследования в сочетании с аналитической обработко результатов и оценка технико-экономической эффективности полученных рс шений.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. При разработке угольных пластов с легкообрушающимися и среднео? рушающимися по классификации кровлями устойчивость пластовых подготс вительных выработок может быть обеспечена при использовании металличе ской рамной крепи с плотностью установки 1.5 р/м в сочетании с анкерно крепью, устанавливаемой между рамами с той же плотностью, причем наг больший эффект достигается при установки анкеров в центре выработки ил со стороны угольного массива (целика). При этом следует иметь ввиду, чт этот способ поддержания выработки отличается высокой трудоёмкостью рабе (8,9 н.дн./п.м) и большим расходом крепёжных материалов.

2. При разработке труднообрушающихся и весьма труднообрушающи> ся пород кровель эксплуатационное состояние повторно используемых плг стовых выработок, поддерживаемых на границе с выработанным простраь ством, возможно обеспечить только при применении активных способо управления напряженно-деформированным состоянием массива горных пс род в приконтурной области выработки. Так при применении, в частност1 взрывогидравлического (ВГР) способа разупрочнения пород относительны смещения пород на контуре выработки снижаются на 35 % и обеспечиваете её безремонтное поддержание.

3. В рассматриваемых условиях важное значение имеет учет боковых н; грузок на оградительную крепь пластовой подготовительной выработки, кок рые зависят от типа кровель и достигают при трудно и весьма труднообрз шающихся кровлях до 2 т/м2.

4. При применении в условиях высокой коллекторской (межблочно{ проницаемости массива горных пород наряду с их высокой прочностью до< тижение эффекта гидроразрыва обуславливает необходимость предварител! ного нагнетания в межблочные полости вязких флюидов (например, вода бентонитовые глины).

Научная новизна работы:

1. Установлены оптимальные параметры паспортов крепления Пластовы подготовительных выработок комбинированными крепями (металлическг рамы и винтовые анкера), обеспечивающие устойчивость выработки с миш мальным объёмом ремонтных работ на пластах с легко и среднеобрушающ! мися кровлями.

2. Предложено и экспериментально проверено, что при разработке трудь и весьма труднообрушающихся пород кровель эксплуатационное состоят 2

повторно используемых пластовых выработок, поддерживаемых на границе с выработанным пространством, возможно обеспечить применением взрывогид-равлического способа управления напряженно-деформированным состоянием массива. Смещение пород на контуре выработки при этом снижаются до 3540 % и обеспечивается ее безремонтное поддержание.

3. Боковые нагрузки обрушенных пород на оградительную крепь пластовой подготовительной выработки возрастают, если между линией очистного забоя и направлением падения пласта угол менее 90° и уменьшаются, если более 90°.

4. Установлена зависимость между возможностью реализации эффекта гидроразрыва в условиях высокой коллекторской (межблочной) проницаемости массива горных пород при высокой прочности пород блоков и составом, свойствами флюидов, используемых для предварительного нагнетания в межблочные полости.

5. Разработано геомеханическое обоснование выбора способов и параметров крепления, управления напряженно-деформированным состоянием массива на основе экспериментального установления количественных закономерностей проявлений горного давления на выемочном участке (смещение, расслоение пород кровли) начиная от зоны опорного давления, на линии очистного забоя и в поддерживаемом пространстве лавы в зависимости от параметров обрушения основной кровли во всем диапазоне изучаемых горно-геологических условий.

Личный вклад автора:

-совершенствование методов и составление программы исследований;

- анализ и обобщение ранее полученных результатов исследований по тепе диссертации;

- проведение экспериментальных шахтных и лабораторных исследований;

- анализ и статистическая обработка результатов экспериментальных ис-:ледований;

- обоснование и разработка методики расчета параметров средств крепле-шя и охраны подготовительных выработок.

Достоверность научных результатов исследований обеспечена:

- большим объемом шахтных инструментальных исследований и наблю-1ений в 12 выемочных столбах на 29 участках, оборудованных 232 замерными :танциями, по которым было сделано более 2000 измерений;

-обработкой результатов исследований методами математической стати-тики и инженерно-аналитическими;

- технико-экономической оценкой результатов опытно-промышленной фоверки рекомендаций в условиях шахты «Октябрьская»

Практическая ценность работы

1. Разработана методика выбора и расчета параметров средств и способов 1храны и поддержания повторно используемых выработок (поддерживающих I оградительных элементов) с учетом высоты расслоения пород кровли на лиши забоя, ожидаемой величины конвергенции контура за весь срок службы

3

выработки, величины шага обрушения кровли, нагрузки на элементы крепи, как с учетом влияния обрушения основной кровли (коэффициент динамичности), так и без учета ее влияния.

2. Разработан, апробирован и внедрен новый комбинированный способ активного управления состоянием трещиноватого массива, сложенного крупногабаритными блоками из прочных и весьма прочных разновидностей пород сс сравнительно низким сцеплением по связям, и в связи с этим с высокой межблочной проницаемостью жидких компонентов, обеспечивший возможное™ применения гидроразрыва в качестве средства разупрочнения труднообрушаю-щейся кровли (почвы) и релаксации на этой основе повышенных напряжений.

3. Оптимизированы параметры разупрочнения пород основной кровл1 при применении взрывогидравлического способа разупрочнения(длина скважины, расстояние между скважинами и др.).

Реализация работы.

Установленные зависимости и разработанные рекомендации использованы:

- шахтой "Октябрьской" при решении вопросов, связанных с отработко? лавы 1232-3. Экономический эффект от внедрения рекомендаций составил более 98 тыс. рублей;

— институтом ПечорНИИпроект при разработке перспективных плано! развития горных работ шахт ОАО "Воркутауголь".

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались на научно! конференции МАНЭБ (г. Москва, 1999 г.), на техническом совещании шахть "Октябрьская" (г. Воркута, 2000 г.), на Ученом совете института ПечорНИИпроек' (г. Воркута, 2000 г.), на Ученом совете ВНИМИ (г. Санкт-Петербург, 2000 г.), н; научном симпозиуме «Неделя горняка 2000» (Москва, МГГУ, 2000 г.).

Публикации.

По основным результатам выполненных исследований опубликовано < работы.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списк; используемой литературы из 90 наименований и приложения, изложена на 13 страницах, включая 25 рисунков, 23 таблицы, 5 фотографий.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 приведена краткая характеристика горно-геологических и гор нотехнических условий разработки Воргашорского месторождения Печорскс го угольного бассейна двумя шахтами ОАО "Воркутауголь": "Октябрьская" "Воргашорская". Отмечается, что при преобладающем пологом падении зале гание пород осложнено диагональными поперечными крутопадающими нар> шениями, которые разбивают поле на отдельные блоки. Единственным рабе 4

чим пластом является пласт "Мощный", характеризующийся выдержанной по площади мощностью (3,10-3,30 м) и, в основном, простым строением. Околоугольные породы обводнены.

Подготовка шахтных полей принята погоризонтной. Система разработки -длинными столбами по падению с полным обрушением кровли.

В главе 2 проанализированы исследования, направленные на повышение эффективности сохранения подготовительных выработок, в которых установлена качественная картина деформаций и смещений пород вокруг выработки, зависящая от того, в какой зоне поддерживается выработка. При бес-целиковой технологии с повторным использованием выработок выделяются пять зон, в которых последовательно находится конкретный участок выработки за весь срок существования выработки. Процессы сдвижения и деформирования пород в этих зонах носят сложный характер и требуют дальнейшего изучения.

Основной особенностью проявлений горного давления в подготовительной выработке является образование вокруг нее зоны неупругих деформаций, что проявляется в виде смещения контура выработки. Во всех исследованиях отмечается большое влияние на величину и скорость смещения контура физико-механических свойств горных пород: прочность, трещино-ватость (естественная и технологическая) и др. Резервом в повышении устойчивости выработки является ее качественная проходка с минимальным нарушением сплошности массива и контактная установка крепи по контуру обнажения.

В зоне опорного давления лавы смещения обусловлены нарушением вокруг выработки уже разрушенных горных пород, где крепь выработки взаимодействует с горными породами в режиме взаимовлияющей деформации.

Исследования и эксперименты во многих угледобывающих регионах страны показывают, что даже при ухудшении горно-геологических условий и состояния выработок имеется возможность применения бесцеликовых способов охраны с параметрами адекватными основным характеристикам проявления горного давления что позволяет снизить напряженно-деформируемое состояние массива и обеспечить устойчивость выработок. Известно, что бесцеликовые способы управления геомеханическим состоянием по принципу воздействия на массив разделяются на пассивные и активные. К первым относятся различные конструкции из индивидуальных стоек (органка; костры; кусты; рамные деревянные, металлические или комбинированные крепи; бутовые полосы из рядовой породы и т. п.) и на активные способы, способствующие уменьшению напряжений вокруг выработки (скважинная разгрузка, отсечное торпедирование, проведение выработок широким ходом и др.). На основе выполненного анализа опыта поддержания выработок при бесцеликовой технологии разработана классификация мероприятий по поддержанию повторного используемых выработок. Ряд мероприятий данной классификации достаточно хорошо апробированы, легко реализуемы с малыми трудозатратами и нашли применение в практике.

Обеспечение надежного эксплуатационного состояния выработки во многом определяется обоснованностью и своевременностью принятых технических или организационных решений комплекса охранных мероприятий, причем выбор их наиболее оптимального сочетания требует уточнения.

В главе 3 проанализированы существующие классификации кровель, построенные на различных классификационных признаках. На основании изучения по кернам скважинного бурения литологического строения и структурных характеристик в лабораторных условиях произведены определения показателей механических свойств пород и на базе последней 1995 года классификации ВНИМИ разработана классификация пород кровель применительно к условиям пласта "Мощного" Воргашорского месторождения. Установлено, что на достигнутых глубинах тяжелые кровли типа III и IV составляют порядка 18 %.

Изложена методика и приведены технические средства инструментальных исследований смещений боковых пород на контуре выработки, смещений и деформаций пород кровли в массиве, бокового давления обрушенных пород на крепь выработок, высоту зоны обрушения и др. Шахтные исследования проводились с помощью замерных станций, оборудованных глубинными и контурными реперами, масляными динамометрами, мерными штангами с угломером, визуальными наблюдениями, фотографированием - в соответствии с методикой ВНИМИ. Инструментальными наблюдениями были охвачены кровли всех типов II а, II б, III и IV для различных горно-геологических и горно-технических условий месторождения.

Анализ результатов шахтных исследований позволил выявить для каждого типа кровель пять характерных зон влияния очистных работ, основными показателями проявления горного давления в которых являлись конвергенция кровли и почвы, скорость смещения, длина зоны, шаг первичной и вторичной посадки кровли (табл. 1). Установлено, что при легко обрушающихся типа II а и среднеобрушающихся типа II б кровлях с увеличением плотности крепи до 9 стоек/м и умеренных затратах на восстановление крепи и подрывку почвы удается поддерживать выработки в эксплуатационном состоянии. При трудно-обрушающихся III типа и весьма труднообрушающихся IV типа увеличение плотности крепи даже до 12-13 стоек/м и более не позволяет справиться с большими динамическими вертикальными и боковыми нагрузками. Большой объем по восстановлению крепи и подрывке почвы является основным сдерживающим фактором в развитии очистных работ.

Для повышения эффективности управления напряженно-деформированным состоянием приконтурного массива горных выработок ВНИМИ совместно с ПечорНИИпроектом разработал взрывогидравлический (ВГР) способ, заключающийся в создании в труднообрушающихся породах искусственных протяженных трещин с заданной ориентацией за счет нагнетания воды в режиме гидроразрыва к инициирующим щелям, выполненных в скважинах взрыванием небольшого (150 г) Ку заряда ВВ. 6

Таблица I

Величины основных покат гелей проявлений горного да плен ни по рсчультатам инструментальных замеров в подготовительных выработках при бссцелнковом способе >тработкн пласга ¡\Ioihiioi о Воргашоргкого месторождения п зависимости от обрушаемосчи

пород 1сропли

Зоны влияния очистных работ Показатели проявления горного давления Велнчнны показателей проявления горного давления при различных типах кровли по обрушаемости

Па (пегкообру-шагощаяся) 116 (среднеобру-шакнцаяся) III (труднообрушаю-н(аяся) IV (весьма трудно-обрушаютаяся)

Зона одиночно» выработки Смешения, мм До 10 10-15 15-20/10-13 25-35

Скорость смещения мм/сут. До 0,3 До 0,5 До 1,0 До 2-0

Зона опорного давления I лавы Смешения, мм 25-35 30-55 35-45/23-30 45-60

Скорость смещения мм/сут. До 2 До 4,5 6-7 8-10

Длина зоны, м 25-30 35-40 40-50 50-60

Зона активных смещений Смещения, мм 120-150 170-180 130-210/124-137 220-250

Скорость смещения мм/сут. До 15 До 20 До 24 До 29

Длина зоны, м 40-50 60-70 80-100 90-110

Зона стабилизации Смещения, мм 80-100 120-150 170-180/110-117 190-210

Скорость смещения мм/сут. 0,5 0,7 1,2 1,5

Зона опорного давления II лавы Смещения, мм 160-180 190-210 220-240/143-156 250-300

Скорость смещения, мм/сут До 18 19 21 25

Длина зоны, м 60-70 70-80 80-100 100-120

С учетом горно-геологических условий и потребностей производства экс-ериментальные работы по разфузке труднообрушающихся кровель проведе-ы в конвейерном бремсберге 1232-3 шахты "Октябрьская".

Определены параметры разгрузки вмещающих пород. Высота обрушения ород, при которой обеспечивается подбучивание труднообрушающейся тол-1и пород, определяется формулой:

Кто"! 1Д-1

де /Яд —вынимаемая мощность пласта, м; 1ук>— мощность легкообрушающей-я кровли, м; КГо, К,ю - коэффициенты разрыхления пород соответственно руднообрушающихся и легкообрушающихся.

Высота заложения зародышевой щели от поверхности обнажения кровли или пласта определялась по формуле:

z=(vtM=M±i=№. (2:

2 2

Расстояние от устья скважины до места заложения зародышевой щели создаваемой продольно оси скважины:

*сКн = . *. =7Д". (з;

sin 60° -s- sin 75°

Расстояние между скважинами определялось по формуле:

sin60P-sin75° 0.866Н- QÍI66

С учетом изменения мощности основной и непосредственной кровли, углов наклона зародышевой щели к плоскости напластования глубина скважиь при применении ВГР и расстояние между ними принималась равной 10 м.

Глубина герметизации при проверке скважины на герметичность и npt нагнетании воды принималась на основе результатов испытания технолопп НФР на шахте «Комсомольская» ОАО «Воркутауголь», так как расчетны формулы, приведенные в «Инструкции по выбору способа и параметров разу прочнения кровли на выемочных участках», J1. ВНИМИ, 1991 г. получены дл; условий шахт Кузбасса и не отражают требований рассматриваемых у слови! пласта «Мощного» и равна 7 м. Длина инициирующей щели - 0,29 м и равн; длине кумулятивной выемки заряда ЗКВК-26, радиус дробления горного мае сива - 0,2 -Я),5 м.

Максимальное давление гидроразрыва рассчитывалось по формуле:

рмах = Ю~*pqH+6f = 0,01 • 0,25 • 9,8 • 320+7 = 14$МПа, (5;

где Рмах - максимальное давление разрыва, МПа; р - плотность пород кровли КН/м3; q - ускорение свободного падения, м/с2; Н — глубина ведения работ, м бР - предел прочности пород на растяжение, МПа.

При длине трещин гидроразрыва вдоль штрека равной 10-12 м и времен! нагнетания от 8 до 12 мин. объем закаченной воды определялся по производи тельности насоса УН-35 составлял 0,2-0,5 м3.

Все экспериментальные работы проводились вне зоны опорного давлени) и в соответствии с «Проектом», утвержденным техническим директором ОА( «Воркутауголь» и согласованным в Печорском округе госгортехнадзора. Кон струкция кумулятивного патрона и заряда представлена на рис. 1, а схема об разования зародышевой и продолжительной трещины на рис. 2.

Характеристики Оболочка ЗКВК-2Б с кумулятивной выемкой

1 Длина оболочки, мм 350

2 Диаметр, мм: наружный 26

внутренний 24

приведенный 22,7

3 Объем оболочки, см* 125

4 Вес оболочки, г 20±1

5 Длина кумулятивной выемки, мм 290

6 Глубина кумулятивной выемки, мы 6

7 Угол разворота кумулятивной выемки, град. 60

8 Масса ВВ в оболочке, г при плотности патрона 1,2 г/см3 150

при плотности 1,05 г/см3 131

9 Плотность патронирования ВВ, г/см3 1,1±0,1

10 Вес оболочки с муфтой и ВВ, г 170±10

Условные обозначения:

1- оболочка ЗКВК-26

2- кумулятивная выемка

3- муфта с лепестком

4- ВВ

5- электродетонатор

6- кумулятивный заряд

7- стопорное устройство

8- ампулы с гидроколлоидной забойкой (Зшт.)

9- ампула с водой

10- запирающая забойка (песчано-глинистая).

Рис. 1. Конструкция кумулятивного патрона и заряда

1- выработка

2- разгрузочная скважина

3- кумулятивный заряд

4- зародышевая трещина

5- герметизатор типа "Таурас" 045мм

6- высоконапорный шланг

7- высоконапорная насосная установка с манометром

8- поверхность разрушения

Наименование показателей Значение показателей

Длина скважин, ы 8-10

Длина зародышевой трещины, м 0,5

Глубина зародышевой трещины, м 0,3-0,5

Глубина герметизации, м 7-8

Максимальное давление гидроразрыва, Мпа 15-20

Время нагнетания, мин. 7-10

Количество закачиваемой воды в скважину, м3 0,2-0,3

Ожидаемая длина трещины гидроразрыва (в сторону лавы вдоль штрека) Ь, м 12—14

Рис. 2. Схема образования зародышевой и продолжительной трещины

Особенностью условий испытаний оказхтась высокая межблочная проницаемость пород, что не позволяло создать давление гидроразрыва при незначительной производительности насоса УН-35. Для создания условий гидроразрыва была применена предварительная закачка в каждую скважину насосом НБ-3 вязкого раствора бентонита до 0,3-0,5 м3 в течении 40-50 мин. После достижения давления в скважине 4 МПа приступали к гидроразрыву с одновременной закачкой раствора бентонита, причем нагнетательный став от насоса НБ-3 был оборудован обратным клапаном. После одновременной работы насосов НБ-3 и УН-35 в течение 10-15 мин. давление достигло 15,0—16,0 МПа и происходил гидроразрыв.

После прохода очистного забоя обрушение произошло по "органке", а размеры блоков обрушенных пород составили 3x1,5x1,0 м. Конвергенция кровли и почвы снизилась на 225м - 35 % (рис. 3), что привело к снижению деформации крепи и позволило снизить плотность деревянной органной крепи с 10 до 5-6 стоек на метр, устанавливать только одну металлическую стойку усиления. Работы по восстановлению крепи и подрывке почвы на экспериментальном участке, практически, не производились.

В главе 4 рассмотрено влияние горно-геологических и горно-технических факторов на поддержание выработок. Для анализа горногеологических факторов принимались величины смещения вмещающих пород и деформаций основной и усиливающей крепи, причем для исключения влияния на смещения пород косвенных факторов (фактора времени, несвоевременного ремонта крепи и др.) сопоставление рассматриваемых величин смещений при различной прочности производилось на линии очистного забоя и в поддерживаемой части выработки за очистным забоем на участке обрушения пород основной кровли.

При изменении прочности пород основной кровли при сжатии от 45 до 85 МПа и непосредственной кровли от 35 до 50 МПа смещения увеличиваются в 1,7-2 раза.

Прочность пород почвы на сжатие изменялась от 30 до 70 МПа. По оценке через коэффициент С> = Н/Кс в диапазоне глубин ведения работ 200^00 м рассматриваемые условия характеризуются как легкие ((} менее 20). Отсюда следует, что влияние глубины незначительно и устойчивость выработки по пласту "Мощному", в основном, определяется прочностью пород кровли и в меньшей степени пучением почвы.

Выполненные инструментальные наблюдения не позволили ввиду изменчивости прочности вмещающих пород установить количественные оценки влияния глубины на устойчивость выработок. Поэтому для анализа влияния глубины пользовались комплексным параметром проявления горного давления - изменением величины зоны опорного давления.

Для этой цели воспользовались обобщенной эмпирической зависимостью ВНИМИ

И

ь).

геолог разрез мощи. слоя,и. мл* ишмаеадше повод

(8-32 № песчшж

щ 2-1 15 алевролит мхм

а!-ач 3! аггнмит

3.3 «-к ИПЗЛЬ

ШШ; г.' 7в песчаник

A). СХЕМА ЦСШШШ ЗДМЕШЙИ СТЙШИЙ

1-гамтролс№й «часто ; г-экспошЕитд/цшй участок. ь) струкп/рнда колоша

b) графики сныцешй и штшшюсть смещешй пояж кровли и БОКОВ вьюшки ш кшпшнот цг.2.7) н зшиименшо-•шмвз'дч1) участках

Г). график бокового ддалшня цд органную крепь нд экспериментальном участке млокшй и в-важй дшдмомши.

аж

1 Г~ >АУ 'л

✓ \ ч \ N * у

4 Чч. ч

4.М

Рис. 3. Результаты исследований проявления горного давления в конвейерном бремсберге 1232-3 шахты «Октябрьская»

£0 = 2(ЖР(0,8 + 0,15)^3+ ; (6)

где ^о — зона опорного давления, м; КР - коэффициент, учитывающий способность основной кровли к обрушению; (для ЛО - Кр= 0,65, СО - Кр = 0,9 и ТО - КР = 1,05); М - мощность пласта, м; Н - глубина ведения работ, м; Яс - сопротивление пород сжатию, МПа.

Зоны опорного давления определялись для крайних значений глубины 200 и 400 м и прочности пород на сжатие для ТО - Яс = 120 МПа, для СО - = = 85 МПа, для ЛО - = 45 МПа и составляли, соответственно, при Н = 200 м,

£ о = 53 и Н = 400 м, £ о = 66 м для (ТО), £ 0 = 39 и 46 м для (СО) и £ 0 = = 27 и 31 м для (ЛО). То есть, в рассматриваемом диапазоне изменения глубины зона опорного давления возрастает в 1,18-1,24 раза, а при изменении прочности пород, в 2-2,1 раза, что, практически, совпадает с результатами инструментальных замеров.

Рассматривая влияние горнотехнических факторов на устойчивость выработок установлено, что способ проведения выработок комбайновый, поэтому нарушенность пород по контуру выработки минимальная. Площадь сечения выработки определялась исходя из расстановки оборудования и ожидаемого уменьшения сечения при повторном использовании и составляет 11-12 м2. Это сечение обеспечивает по фактору вентиляции на забой до 3 тыс. т в сутки без осуществления мероприятий по дегазации. Влияние увеличения сечения выра-эоток даже в 1,5 раза на их устойчивость не превышает 10-И5 %.

Трапециевидная форма выработок обуславливается мощностью пласта, этсутствием подрывки пород почвы, способствует использованию в качестве усиливающей и основной анкерной крепи.

В результате проведенных исследований установлено: преобладающее влияние на устойчивость выработок оказывают горно-геологические факторы.

В связи с тем, что рекомендации существующих нормативных документов в определенных условиях отработки пласта "Мощного" не обеспечивают выбора оптимальных параметров крепи, возникает необходимость геомехани-шского обоснования и разработки расчетного метода выбора параметров кре-1И при бесцеликовом способе отработки. Актуальность уточнения и совер-ленствования методики выбора крепи предопределяется значительными ¡апасами угля отрабатываемого месторождения и долевым участием добываемого угля шахтами "Октябрьская" и "Воргашорская" в общем балансе добычи пахт ОАО "Воркутауголь", которое превышает 36 %.

Для обоснования выбора и расчета параметров крепления и охраны подготовительных выработок, а также при испытаниях экспериментальных и эпытно-промышленных паспортов и средств крепления был выполнен значительный объем инструментальных наблюдений по 12 выемочным столбам, на саждом из которых выбирались 2-3 участка с постоянными горно-еологическими условиями и протяженностью равной 3-4 шагам обрушения

13

основной кровли. Всего было 29 участков наблюдения, оборудованных 8 замерными станциями. При ведении инструментальных наблюдений производились замеры расслоения и разрушения пород над выработкой, смещения кровли, почвы, посадки крепи, нагрузки на крепь, определялись шаг обрушения основной кровли, коэффициент разрыхления пород, было оборудовано 232 замерных станции, выполнено более двух тысяч измерений.

Для установления закономерностей проявлений горного давления и их количественных зависимостей использован экспериментально-аналитический метод с использованием двухфакторных и многофакторных математических моделей, представленных соответствующими формулами

у=аеЬх (7)

У = АХ?' хг (8)

где n = 1,2, 3... 22

В качестве рабочей модели при обработке материалов наблюдения и для обоснования параметров выбора крепи использована гипотеза консольной балки, а сама выработка, поддерживаемая после прохода очистного забоя, рассматривалась как длинный очистной забой.

В полученных выражениях для определения проявлений горного давления в рассматриваемых условиях использована закономерность, характеризующая зависимость интенсивности проявлений горного давления от прочности и об-рушаемости пород, интегральным показателем которой являлся шаг обрушения основной кровли.

Исследованиями ПечорНИИпроекта установлена количественная зависимость увеличения показателей проявлений горного давления от типа кровель по обрушаемости. Выполненные наблюдения подтвердили правомерность использования данных количественных зависимостей в выражениях для расчета параметров горного давления в выработках пласта "Мощного".

Установленные зависимости и расчетные параметры представлены в табл. 2. Графическое выражение установленных зависимостей в виде номограмм представлено на рис. 4.

Для расчета несущей способности оградительной крепи получено выражение:

где Р - несущая способность крепи, т/м; М - мощность пласта, м; у - объемный вес пород, т/м3 = 2,5; В - ширина выработки, м; КР - коэффициент разрыхления обрушенных пород (для кровель типа II а и II б - 1,4; III типа - 1,35. IV типа - 1,2); Кв - коэффициент влияния осадок основной кровли (для кровель типа II а - 1,2; типа II б - 1,4; III типа - 1,7; IV типа - 2).

. S

Для оценки долевого участия в конвергенции кровли и почвы получены выражения: 14

Таблица 2

Основные зависимости н значении параметроп прояатснпн горного давления в подготовительных выработках при бссцсликовом способе отработки пласта Мошною Воргашорского месторождения

"ип кровли Высота расслоения пород над выработкой на линии очистного забоя, м Величина шага обрушения основной кровли, м Высота расслоения пород после обрушения основной кровли, м Нагрузка на крепь без учета влияния обрушения зависших пород основной кровли, т/м Нагрузка на крепь выработки с учетом влияния обрушения основной кровли, т/м Ожидаемая величина смешений в выработке за весь период отработки выемочного столба, мм

,. №\1М с, Я ., т\ш и« // „ =-с О/. Р - НгуВКи Н = Н0еа' Н„ = 0,ОПВМе"т

Па [р=4 МПа 2,68 = 2,67 6 4,88 Р-48,8-49 Кв=1.2 Р=58,5 т/м а=0,3 1=1,2 года 418/564 мм

Пб гр=6 МПа 1,79= 1,8 12 5,94 Р~59,4 Кв=1,5 Р=89 т/м а=0,5 1=1,2 года 511/842 мм

III ;р=8 МПа 1,34 20 9,9 Р=100 К, ,= 1,8 Р= 178 т/м и=0,7 1=1,2 года 624/1257 мм

IV ,=10 МПа 1,07 25 13 Р=130 Кв=2,0 Р=261т/м а =0,8 1=1,2 года 689/1535 мм

р и м е ч а н и е: Значения параметров проявлений горного давления получены при мощности 1аста М = 3,3 м, ширине выработки В = 3,5 м, Н» =310 мм принято дня всех классов как средне-женмальное, полученное при статической обработке материалов наблюдений без разупрочнения «род кровли III и IV.

Лк = бк_бп.ШОо/о5 (8)

°к

Пп =^^-100 % , (9)

1е: г)к, г)п - долевое участие в конвергенции, соответственно, смещений кров-I и пучения почвы; бк, бп- прочность пород, соответственно, кровли и поч-.1, МПа.

Приведенные выше выражения (8-9) и в таблице 2 предназначены для [счета проявлений горного давления в подготовительных выработках пласта Лощного" при выборе конструкций крепи и ее несущей способности, при со-авлении паспортов управления горным давлением, а также для мероприятий ) управлению напряженно-деформированным состоянием вмещающих пород 1ссива.

Н, мм

В, и

Условные обозначения:

кровля легкообрушающаяся; -• кровля труднообрушающаяся;

— - кровля среднеобрушающаяс • кровля весьма трудпообрушающаяс высота расслоен

—х—х—X-

Нр - высота расслоения пород над выработкой на линии очистного забоя; Н'р -порд после обрушения основной кровли; Р - нагрузка на крепь с учетом влияния обрушения осн( ной кровли; Н - величина смещений за весь период эксплуатации выработки; В - ширина выработк

Рис. 4. Номограмма для расчета параметров проявления горного давления в выработках плас «Мощного»

Расхождение результатов инструментальных замеров с расчетными, п< лученными по данным зависимостям, не превышает 10-15 % и определяете лишь значением коэффициента вариации прочности пород и изменения и мощности.

Установленные закономерности проявления горного давления и их колич< ственные зависимости позволили разработать методику выбора и расчета пар; 16

/(етров средств и способов крепления при бесцеликовой охране выработок, пре-1усматривающую комплексный подход использования пассивного и активного методов управления системой "крепь-порода" и устойчивостью выработок.

В разработанной методике принимается следующий порядок выбора крещения и средств охраны:

1. Производится анализ горно-геологических и горно-технических усло-1ий проведения выработки.

2. По структурным колонкам и прочности вмещающих пород определяет-;я тип кровли по обрушаемости и устойчивости. Определяется склонность ючвы к пучению и рассчитывается относительная ее величина в общей ожи-;аемой конвергенции.

3. Производится расчет параметров проявлений горного давления по зави-¡имостям, приведенным в таблице 2 или по номограммам (рис. 4).

4. Устанавливается необходимость применения активного метода управ-1ения напряженно-деформированным состоянием массива.

5. Производится расчет плотности крепи и средств поддержания выработки.

6. Разрабатывается паспорт крепления выработки в соответствии с требо-¡аниями соответствующих нормативных документов.

Оценка экономической эффективности внедрения ВГР способа на шахте 'Октябрьская" в конвейерном бремсберге 1232-3 приведена в пятой главе. Экономический эффект составил 98 292 р.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования и обобщения производственного опыта поволили получить научно-обоснованные технологические разработки по со-юршенствованию способов поддержания подготовительных выработок в ус-ювиях Воргашорского месторождения. Основные выводы и рекомендации.

1. На основании результатов большого статистически представительного >бъема определений показателей механических свойств толщи пород кровель 1 детального изучения геологических условий разработана бассейновая клас-шфикация пород кровли с выделением типов кровель по обрушаемости (ЛО, :о, ТО, ВТО).

2. Разработаны оптимальные параметры паспортов крепления пластовых шдготовительных выработок комбинированными крепями (металлические рамы 1 винтовые анкера), обеспечивающие устойчивость выработки с минимальным )бъемом ремонтных работ на пластах с легко и среднеобрушающимися кровлями.

3. При разработке трудно и весьма труднообрушаемых пород кровли экс-тлутационное состояние повторно используемых пластовых выработок, под-1ерживаемых на границе с выработанным пространством, возможно обеспечить олько при применении специальных активных способов управления напряжен-ю-деформированным состоянием массива горных пород в приконтурной области выработки. Так, например, при применении взрывогидравлического способа >азупрочнения прочных труднообрушающихся пород, относительные смещения

17

пород на контуре выработки снижаются на 35 % по сравнению с традиционн применяемыми способами охраны и поддержания и обеспечивается безремот ное поддержание выработок. Оптимизированы параметры разупрочнения ос новной кровли (длина скважины, расстояние между скважинами и др.).

4. Установлены закономерности распределения боковых нагрузок обр> шенных пород на оградительную крепь пластовых подготовительных вырабс ток, которые зависят от типа кровли и расположения выработки относительн элементов залегания пласта и достигают при трудно и весьма труднообр) шающихся кровлях значений порядка 2 т/м2.

5. Обоснован и разработан комбинированный способ разупрочнения тре щиноватого массива горных пород, сложенного крупными слабосцементирс ванными блоками состоящий в том, что с целью достижения гидроразрыва пр применении взрывогидравлического способа разупрочнения пород в указан ных условиях предварительно спецхимреагентами вымываются слабосцемег тированные вторичные заполнители трещин, а в последние нагнетаются свя зующие - вязкие флюиды (например вода + бентонитовые глины).

6. Обоснованы и разработаны методы расчета параметров поддерживаю щих и оградительным элементов средств крепления, охраны и подцержани выработок с учетом величин смещений, расслоений пород кровли, шага обру шения кровли в том числе принудительного, что позволило уточнить резуль таты, полученные по действующим нормативно-методическим документам д 20 % и повысить эффективность и безопасность поддержания выработок.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Применение комбинированной крепи для поддержания повторно-используемы выработок (Ю.М. Погудин, J1.M. Гусельников, A.A. Табалов). Тезисы докладов. Koi ференция МАНЭБ. Проблемы национальной безопасности в XXI веке. - М., 2000.

2. Классификация пород кровель Воргашорского месторождения Печорског угольного бассейна (A.A. Табалов). Тезисы докладов. Конференция МАНЭБ. Пробж мы национальной безопасности в XXI веке. - М., 2000.

3. Геомеханическое обоснование и методика выбора параметров крепи подготови тельных выработок при беецеликовом способе отработки по пласту Мощному Вор гашрекого месторождения (A.A. Табалов). - СПб., изд. госуниверситета, 2000.

4. Исследование геотехнических условий эффективного применения активны способов управления напряженпо-деформированным состоянием массива при поддер жании на границе с выработанным пространством (JI.M. Гусельников,Ю.М. Погуди ПечорНИИпроект, A.A. Табалов Шахта «Октябрьская» ОАО «Воркутауголь»). Hay1 ный симпозиум «Неделя горняка 2000». - М., МГГУ, 2000.

ВВЕДЕНИЕ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ШАХТ, ОТРАБАТЫВАЮЩИХ ВОРГАШОРСКОЕ МЕСТОРОЖДЕНИЕ.

2. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА.

2.1. Анализ проявлений горного давления в подготовительных ШР.МОТ]Ш^при бесшдиковой техшлогии.

2.2. Обобщение и анализ бесцеликовых способов

ОХРАНЫ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК.

2:3. Цель и задачи исследований.

3. ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРОЯВЛЕНИЯ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ

И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КРЕПЕЙ ВЫРАБОТОК С БОКОВЫМИ И ОБРУШЕННЫМИ ПОРОДАМИ.

3.1 .Классификация пород кровель Воргашорского месторождения

ПЕЧОРСКОГО УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА.

3.2. Методы и технические средства исследований.

3.3 .Шахтные инструментальные исследования.

3.3.1. Исследования угри кровлях типа IIa

3.3.2 Исследования при кровлях типа II б.

3.3.3. Исследования при кровлях III типа.

3.3.4. Исследование при кровлях IV типа.

3.4 ШАХТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АКТИВНОГО СПОСОБА

УПРАВЛЕНИЯ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ В ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТКАХ ПРИ ПОДДЕРЖАНИИ ИХ НА границе С ОТРАБОТАННЫМ ПРОСТРАНСТВОМ.

3.4.1. Цель проведения экспериментальных работ по разгрузке вмещающих пород в конвейерном бремсберге 1232-3 ш. Октябрьская.

3.4.2. Горно-геологическая характеристика выемочного столба

1232-3 таста Мощного.

3.4.3. Выбор параметров разгрузки вмещающих пород.

3.4.4. Бурение и испытание скважин на герметичность.

3.4.5. Ведение взрывных работ.

3.4. б. Порядок производства работ по разупрочнению кровли.

3.4.7. Результаты шахтных исследований.

3.5. ВЫВОДЫ ПО главе.

4. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА И РАСЧЕТОВ ПАРАМЕТРОВ СРЕДСТВ КРЕПЛЕНИЯ И ОХРАНЫ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК.

4.1. Анализ влияния горно-геологических и горнотехнических

ФЛКТ( )р( ММКШ^'ЖЛ! ни- нь:рл1>( >тоьс.

4.2. Геомеханическое обоснование выбора параметров крепи

ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК ПРИ БЕСЦЕЛИКОВОМ СПОСОБЕ ОТРАБОТКИ,.,.

4.3 .Методика выбора и расчетов параметров средств и способов крепления при бесцеликовой охране выработок.

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВНЕДРЕНИЯ ВГР СПОСОБА.

Актуальность работы.

Современным требованиям обеспечения экономической эффективности и безопасности добычи угля на шахтах в наибольшей степени соответствует бесце-ликовая технология разработки пологих пластов при столбовой системе с сохранением подготовительных выработок на границе с выработанным пространством для повторного использования.

Общим признаком применяемых бесцеликовых способов и средств управления геомеханическим состоянием массива горных пород является, как правило, пассивный принцип силового взаимодействия с массивом. Крепи выработок и средства их охраны, главным образом, нарастающего сопротивления, которые работают с горным массивом в реактивном режиме взаимодействия, выходят на рабочие параметры сопротивления лишь в результате значительных величин относительных смещений и деформаций (до 50-60% от вынимаемой мощности пласта), приводящих к потере устойчивости выработок.

В связи с этим назрела необходимость поисков путей совершенствования способов управления состоянием массива, позволяющих оперативно управлять физико-механическими свойствами и напряженно-деформированным состоянием горных пород в массиве путем реализации активных способов управления с целью понижения напряжений до уровня, при котором обеспечивается длительная прочность и эксплуатационное состояние выработок.

Вопросы изыскания и обоснования оптимальных решений, повышающих устойчивость повторно используемых выработок являются актуальной научно-практической задачей, решению которой и посвящена настоящая работа.

Цель исследований заключалась в совершенствовании и обосновании эффективных и безопасных способов поддержания выработок с труднообрушаемыми кровлями в условиях Воргашорского месторождения Печорского угольного бассейна.

Основной идеей работы является обеспечение эксплутационного поддержания подготовительных выработок на основе совершенствования и оптимизации способов разупрочнения пород кровель, существенно снижающих горное давление на крепь подготовительных выработок при их повторном использовании.

Задачи исследований

- изучение горно-геологических и горнотехнических условий и показателей физико-механических свойств горных пород, их типизация и классификация;

- исследование проявлений горного давления и взаимодействия крепи с боковыми породами;

- разработка геомеханических требований к выбору соответствующего рассматриваемым условиям способа охраны и поддержания выработок и обоснование его параметров;

- промышленное испытание способа охраны выработок и оценка его эффективности.

Методы исследования

В работе использован комплексный метод, включающий научное обобщение А и анализ проведенных ранее исследований, экспериментальные шахтные и лабораторные исследования в сочетании с аналитической обработкой результатов и оценка технико-экономической эффективности полученных решений.

Научные положения выносимые на защиту

1. При разработке угольных пластов с легкообрушающимися и среднеобру-щаюшимися по классификации кровлями устойчивость пластовых подготовительных выработок может быть обеспечена при использовании металлической рамной крепи (с плотностью установки 1.5 р/м) в сочетании с анкерной крепью, устанавливаемой между рамами стой же плотностью, причем наибольший эффект достигается при установки анкеров в центре выработки или со стороны угольного массива (целика). При этом следует иметь ввиду, что этот способ поддержания выработки отличается высокой трудоёмкостью работ (8,9 н.дн./п.м) и большим расходом крепёжных материалов.

2. При разработке труднообрушаемых и весьма труднообрушаемых пород кровель эксплуатационное состояние повторно используемых пластовых выработок, поддерживаемых на границе с выработанным пространством, возможно обеспечить только при применении специальных, так называемых, активных способов управления напряженно-деформированным состоянием массива горных пород в приконтурной области выработки. Так при применении, в частности, взрывогидрав-лического (ВГР) способа разупрочнения пород относительные смещения пород на контуре выработки снижаются на 35% и обеспечивается её безремонтное поддержание.

3. В рассматриваемых условиях важное значение имеет учет боковых нагрузок на оградительную крепь пластовой подготовительной выработки, которые зависят от типа кровель и достигают при трудно- и весьматруднообрушающихся кровлях до 2 т/м2.

4. При применении в условиях высокой коллекторской (межблочной) проницаемости массива горных пород наряду с их высокой прочностью достижение эффекта гидроразрыва обуславливает необходимость предварительного нагнетания в межблочные полости вязких флюидов (например вода + бентонитовые глины).

Научная новизна работы

1. Установлены оптимальные параметры паспортов крепления пластовых подготовительных выработок комбинированными крепями (металлические рамы и винтовые анкера), обеспечивающие устойчивость выработки с минимальным объёмом ремонтных работ на пластах с легко- и среднеобрушающимися кровлями.

2. Предложено и экспериментально проверено, что при разработке трудно- и весьма труднообрушаемых пород кровель эксплуатационное состояние повторно используемых пластовых выработок, поддерживаемых на границе с выработанным пространством, возможно обеспечить применением взрыво-гидравлического способа управления НДС массива горных пород. Смещение пород на контуре выработки при этом снижаются до 35 - 40% и обеспечивается её безремонтное поддержание.

3. Боковые нагрузки обрушенных пород на оградительную крепь пластовой подготовительной выработки возрастают, если между линией очистного забоя и направлением падения пласта угол менее 90° и уменьшаются, если угол более 90°.

4. Установлена зависимость между возможностью реализации эффекта гидроразрыва в условиях высокой коллекторской (межблочной) проницаемости массива горных пород при высокой прочности пород блоков и составом, свойствами флюидов, используемых для предварительного нагнетания в межблочные полости.

5. Разработано геомеханическое обоснование выбора способов и параметров крепления, управления напряженно-деформированным состоянием на основе экспериментального установления количественных закономерностей проявлений горного давления на выемочном участке (смещение, расслоение пород кровли над выработкой), начиная от зоны опорного давления, на линии очистного забоя и в поддерживаемом пространстве лавы в зависимости от параметров обрушения основной кровли во всем диапазоне изучаемых горно-геологических условий.

Личный вклад автора

- совершенствование методов и составление программы исследований;

- анализ и обобщение ранее полученных результатов исследований по теме диссертации;

- проведение экспериментальных шахтных и лабораторных исследований;

- анализ и статистическая обработка результатов экспериментальных исследований;

- обоснование и разработка методики расчета параметров средств крепления и охраны подготовительных выработок.

Достоверность научных результатов исследований обеспечена:

- большим объемом шахтных инструментальных исследований и наблюдений в 12 выемочных столбах на 29 участках наблюдения, оборудованных 232 замерными станциями, по которым было сделано более 2000 измерений;

- обработкой результатов исследований методами математической статистики и инженерно-аналитическими;

- технико-экономической оценкой результатов опытно-промышленной проверки рекомендаций, в условиях шахты «Октябрьская».

Практическая ценность работы

1. Разработана методика выбора и расчета параметров, средств и способов охраны и поддержания повторно используемых выработок (поддерживающих и оградительных элементов) с учетом высоты расслоения пород кровли на линии забоя, ожидаемой величины конвергенции контура за весь срок службы выработки, величины шага обрушения кровли, нагрузки на элементы крепи, как с учетом влияния обрушения основной кровли (коэффициент динамичности), так и без учета влияния обрушения зависаний основной кровли.

2. Разработан, апробирован и внедрен новый комбинированный способ активного управления состоянием трещиноватого массива, сложенного крупногабаритными блоками из прочных и весьма прочных разновидностей пород со сравнительно низким сцеплением по связям, и в связи с этим с высокой межблочной проницаемостью жидких компонентов, обеспечивший возможность применения гидроразрыва в качестве средства разупрочнения труднообрушаемой кровли (почвы) и релаксация на этой основе повышенных напряжений.

3. Оптимизированы параметры разупрочнения пород основной кровли при применении взрыво-гидравлического способа разупрочнения (длина скважины, расстояние между скважинами и др.).

Реализация работы.

Установленные зависимости и разработанные рекомендации использованы:

- шахтой "Октябрьской" при решении вопросов, связанных с отработкой лавы 1232-3. Экономический эффект от внедрения рекомендаций составил более 98 тыс. рублей;

- институтом ПечорНИИпроект при разработке перспективных планов развития горных работ шахт ОАО "Воркутауголь".

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались на научной конференции МАНЭБ (г. Москва, 2000 г.), на техническом совещании шахты "Октябрьская" (г. Воркута, 2000 г.), на Ученом Совете института ПечорНИИпроект (г. Воркута, 2000 г.), на Ученом Совете ВНИМИ (г. Санкт-Петербург, 2000 г.), на Научном Симпозиуме «Неделя Горняка - 2000» (г. Москва, МГГУ, 2000 г.).

Публикации.

По основным результатам выполненных исследований опубликовано 4 работы.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка используемой литературы из 90 наименований и приложения, изложенных на 133 страницах, включая 25 рисунков, 23 таблицы, 5 фотографий.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

В результате обобщения производственного опыта охраны и поддержания повторно используемых пластовых выработок без применения угольных целиков, анализа предшествующих и полученных в диссертации результатов исследований имеется возможность сделать ряд выводов и практических рекомендаций следующих из работы:

1. На основании результатов большого статистически представительного объема определений показателей механических свойств толщи пород кровель и детального изучения геологических условий разработана басссейновая классификация пород кровли с выделением типов кровель по обрушаемости (ПО, СО, ТО, ВТО).

2. Разработаны оптимальные параметры паспортов крепления пластовых подготовительных выработок комбинированными крепями (металлические рамы и винтовые анкера), обеспечивающие устойчивость выработки с минимальным объемом ремонтных работ на пластах с легко и среднеобрушающимися кровлями.

3. При разработке трудно и весьма труднообрушаемых пород кровли эксплу-тационное состояние повторно используемых пластовых выработок, поддерживаемых на границе с выработанным пространством, возможно обеспечить только при применении специальных активных способов управления напряженно-деформированным состоянием массива горных пород в прикон-турной области выработки. Так, например, при применении взры-вогидравлического способа разупрочнения прочных труднообру-шающихся пород, относительные смещения пород на контуре выработки снижаются на 35% по сравнению с традиционно применяемыми способами охраны и поддержания и обеспечивается безремонтное поддержание выработок. Оптимизированы параметры разупрочнения основной кровли, длинна скважины, расстояние между скважинами и др.).

4. Установлены закономерности распределения боковых нагрузок обрушенных пород на оградительную крепь пластовых подготовительных выработок, которые зависят от типа кровли и расположения выработки относительно элементов залегания пласта и достигают при трудно и весьма труднообрушающихся кровлях значений порядка 2 т/м2.

5. Обоснован и разработан комбинированный способ разупрочнения трещиноватого массива горных пород, сложенного крупными слабосцементированными

- 121 блоками состоящий в том, что с целью достижения гидроразрыва при применении взрывогидравлического способа разупрочнения пород в указанных условиях предварительно спецхимреагентами вымываются слабосцементированные вторичные заполнители трещин, а в последние нагнетаются связующие - вязкие флюиды (например вода + бентонитовые глины).

6. Обоснованы и разработаны методы расчета параметров поддерживающих и оградительных элементов, средств крепления, охраны и поддержания выработок с учетом величин смещений, расслоений пород кровли, шага обрушения кровли в том числе принудительного, что позволило уточнить результаты, полученные по действующим нормативно-методическим документам до 20% и повысить эффективность и безопасность поддержания выработок.

1. Бокий Б.В. и др. Проведение и крепление горных выработок / Бокий Б.В., Зимина Е.А., Смиряков В.В., Тимофеев О.В. М.: Госгортехиздат, 1963; 558 стр.

2. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. М.: Недра, 1982; 270 стр.

3. Заславский Ю.З. Исследования проявлений горного давления в капитальныхвыработках глубоких шахт Донецкого бассейна. М.: Недра, 1966; 180 стр.

4. Либерман Ю.М. Давление на крепь капитальных выработок. М.: 1969;119стр.

5. Борисов A.A. Механика горных пород и массивов. М.: Недра 1980; 360 стр.

6. Руппенейт К.В. Механические свойства горных пород. Углетехиздат,1956; 158 стр.

7. Цимбаревич П.М. Механика горных пород. М.: Углетехиздат, 1948; 668 стр.

8. Ардашев К.А. и др. Методы и приборы для исследований проявления горногодавления / К.А.Ардашев, В.М.Ахматов, Г.А.Катков. М.: Недра, 1981; 129стр.

9. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика горных пород. М.: Недра, 1975; 272стр.

10. Зорин А.Н., Виноградов В.В., Булат А.Ф. Природа явления слабых возмуще-нийна состояние горного массива // Уголь Украины. 1985 - №1 - стр. 15-16.

11. Райский В.В. Влияние осадок основной кровли на неравномерность деформирования пород в подготовительных выработках // Сб.тр. по вопросам исследований горного давления и сдвижения горных пород. М.: 1961 -вып. 42 - стр 128-139.

12. Руппейнейт К.В. Деформируемость массивов трещиноватых горных пород. -М.: Недра, 1954; 384 стр.

13. Фисенко Г.Л. Придельные состояния горных пород вокруг выработки. М.; Недра, 1976; 272 стр.

14. Черняк И.Л., Бурчаков Ю.И., Григорьев Р.И. Влияние сопротивления крепи на смещения пород вокруг подготовительной выработки в зоне влияния очистных работ // Уголь Украины. 1974 - №8 - стр 21-23.

15. Черняк И.Л., Бурчаков Ю.И. Управление горным давлением в подготовительных выработках глубоких шахт. М.: Недра, 1984; 304 стр.

16. Черняк И.П., Крылов И.В. Влияние сопротивления крепи на устойчивость подготовительных выработок // Уголь. 1985 - №11 - стр 9-11.

17. Черняк И.Л., Крылов И.В. О деформировании пород кровли подготовительных выработок // Уголь. 1985 -№7 - стр 8-11.

18. Черняк И.Л., Черкасов В.Ф., Бухны Д.И. Периодичность проявления горного давления в подготовительных выработках // Уголь. 1983 - №3 - стр 10-13

19. Гефрой Х.Ю. Сравнение способов поддержания выемочных штреков II Уголь. 1983. №22. - 1972. - стр. 20-25.

20. Штумпор М.Г. Исследование проявлений горного давления и устойчивости подготовительных выработок при бесцеликовой отработке пологих и наклон ных пластов // Вопросы горного давления / ИГД СО АН СССР. Новосибирск, 1977. - вып. 34. - СТР. 64-69.

21. Гетце В., Каммер В. Взаимодействие технологии проходки и техники крепления на конвергенцию выемочных штреков // Глюкауф. 1976. - №15. -стр. 11-18.

22. Гротовски У. Значение выемочных штреков и их крепление // Глюкауф. 1976. №22. стр. 7-10.

23. Эверлинг Г. Повышение Эффективности крепления выемочных штреков путем создания связи крепи с породой // Глюкауф. -1972. №22. - стр. 32-35.

24. Якоби О. Закономерности, характеризующие зависимость между горным давлением и конвергенцией в выемочных штреках // Глюкауф. 1973. -№23. - стр.27-35.

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

26. Гелескул М.Н., Усан-Подгорнов Б.М. Исследование проявлений горного давления и разработка научных основ для выбора рациональных способов и средств крепления и поддержания подготовительных выработок / ИГД им. А.А.Скочинского.-М., 1967; стр. 36.

27. Охрана подготовительных выработок без целиков / Бажин П.Н., Райский В В., Волков Ю.В. и др. М.: Недра, 1975; стр. 296.

28. Бурчаков A.C. и др. Процессы подземных горных работ / А.С.Бурчаков, Н.К. Гринько, И.Л. Черняк М. : Недра, 1982; стр. 423.

29. Руппенейт К. В. Деформируемость массивов трещиноватых горных пород. -М.; Недра, 1954. стр. 384.

30. Заславский И.Ю. О бесцеликовой охране выемочных выработок // Уголь Украины. -1984. №2. - стр. 17-18.

31. Черкасов В.Ф. Обоснование способов охраны и поддержания подготовительных выработок с учетом периодического характера смещения пород. -Дисс.канд. техн.наук / МГИ. М., 1982; стр. 170.

32. Региональная инструкция по выбору оптимальных параметров крепления, поддержания и охраны одинарных выработок на шахтах ПО " Воркута-уголь" ПечорНИИпроект . Воркута, 1981; стр. 46.

33. Ардашев К.А. Поддержание выработок при бесцеликовой разработки пластов // Уголь. 1983. - №9. стр. 27-29.

34. Потапенко В.А. и др. Проведение и поддержание выработок в неустойчивых породах / Потапенко В.А., Казанский Ю.В., Цыплаков Б.В. и др. М.: Недра. 1990. стр. 336.

35. Долоткин Ю.Н., Стесев В.В., Погудин Ю.М. Анализ состояния повторно используемых выработок глубокого заложения // Уголь. 1993. - №3. - стр. 9 -10.

36. Максимов А.П. Выдавливание горных пород и устойчивость подземных выработок. М.: Госгортехнадзор, 1963 стр. 144.

37. Свержевский В.Л. Влияние прочностных свойств горных пород на устойчивость II Тезисы докладов и сообщений Республиканского совещания по охране подготовительных выработок на шахтах Донецкого бассейна. Комму-карск: КГМИ, 1966 стр. 15.

38. Заславский Ю З. и др. Крепление капитальных выработок глубоких шахт II Совершенствование технологии добычи угля на шахтах Донбасса: Сб.науч.тр /ДонУГИ.-М.: Недра, 1973. вып. 51.- стр. 113-128.

39. Немтырев Н.В. Исследование проявлений горного давления в подготовительных выработках//Науч.тр / ПНИУИ, М., 1963. вып.4. стр. 49.

40. Аносов A.C. Зависимость устойчивости штрека от способа его проведения // Уголь 1978. №10. - стр. 26-27.

41. Гелескул М.И., Усан-Подгорнов Б.М., Кузнецов К.И. Крепление горных выработок в глубоких угольных шахтах // Технология разработки месторождений полезных ископаемых. Итоги науки и техники. М.: ВИНИТИ, 1975; стр. 178.

42. Черняк И.Л. Геомеханические основы повторного использования подготовительных выработок // Уголь. 1978. - №5. - стр. 3-8.

43. Черняк И.Л. Основные направления совершенствования поддержания подготовительных выработок глубоких шахт // Основные направления создания способов управления состоянием: Тез. докл. Всесоюзной научной конференции-М.: МГИ.1982; стр. 22-23.

44. Черняк И.Л. Вероятностно-статистические методы прогоноза устойчивости горных выработок // Научн. конф. ВУЗов СССР с участием научно исследовательских институтов по физ. горн, пород и процессов. - М.: МГИ, 1969; стр. 10-11.

45. Горбачев Г.Ф. и др. Применение анкерной крепи в подготовительных выработках/Г.Ф.Горбачев, Г.Г.Штумпф, Б.Ч.Стрыгин-Новосибирск, :Наука, 1972; стр 97.

46. Черняк И.Л., Бурчаков Ю.И., Письмак А.Е. Исследование процесса смещения пород кровли в выработках, проводимых вслед за лавой // Проектирование и строительство угольных предприятий. 1972. - №2. - стр. 21-23.

47. Комиссаров М.А. Некоторые вопросы поддержания подготовительных выработок в условиях пологих пластов Донбасса // Вопросы охраны и крепления горных выработок: Сб. научн. трудов / ДонУГИ. М.: Недра, - №41. -стр. 3-14.

48. Комиссаров М.А., Шевченко В.В. и др. Исследование сдвижения пород в пластовых штреках // Вопросы охраны и крепления горных выработок: Сб.научн. трудов . / ДонУГИ. М. : Недра, 1968. - №41. - стр. 49-83.

49. Черняк И.Л., Попутников В.П., Сивокин В.М. Влияние способа проведения выработок на деформацию массива окружающих пород // Проектирование и строительство угольных предприятий. 1971. - №6. - стр. 19-20.

50. Черняк И.Л. Повышение устойчивости подготовительных выработок. М.: Недра 1993; стр. 256.

51. Бабиюк Г.В., Ляхов A.A. Шахтные испытания способа охраны выработок разгрузкой породы от напряжений М.: Уголь Украины, 1976., №4, стр. 1921.

52. Баймульдин М.К. и др. Механизм защитного действия вертикальных разгрузочных щелей. / Вопросы укрепления и поддержания горных выработок в сложных горно геологических условиях /, - М.: Караганда, 1986, с.

53. Баймухометов С.К., Вальштен С.Н., Пак П.П. Опытно-промышленные испытания способа щелевой разгрузки . М.: Уголь, 1988., №7, с.

54. Дрижд H.A., Бирюков Ю.М., Шакиров А.Т. Расчет щелевой разгрузки при ведении подготовительных выработок по взрывоопасному пласту . М.: Безопасность труда в промышленности, 1983, №7, с.

55. Касьян H.H., Мороз O.K. Исследование щелевой разгрузки почвы подготовительных выработок на моделях из фотоупругих материалов. / Разработка месторождений полезных ископаемых /. - М.: Киев, Техника, 1987, с.

56. Костоманов А.И., Касьян H.H., Мороз O.K. Обеспечение устойчивости подготовительных выработок, проводимых в пучащих породах / Разработка месторождений полезных ископаемых /. М.: Киев, Техника, №57, 1980, с.

57. Халяфутдинов М.Р. Обоснование параметров способа щелевой разгрузки ./ Вопросы крепления и поддержания горных выработок в сложных горно -геологических условиях /. М: Караганда ,КПИ, 1986, с.

58. Кошелев К В., Томасов А.Г, Поддержание , ремонт и восстановление горных выработок. М.: Недра, 1985, с.

59. Кошелев К.В., Томасов А.Г.,Куракалов А.Н., Бурма И.Н. Охрана выработок способом взрывощелевой разгрузки массива. / Разработка месторождений полезных ископаемых / М.: Киев, Техника, №57, 1980, с.

60. Полтавец В.И., Новиков А О. Игнатович Н.В. Применение взрывощелевой разгрузки на шахтах Объединения "Лисичанск уголь". М.: Уголь Украины, 1986, №10, с.

61. Братишко A.C., Гавриш H.H., Самойлов В.Н., Эрштейн A.C. Взрывощелевая разгрузка полевого штрека на крутом пласте.

62. Литвинский Г.Г., Захарченко И.Н. Новый метод борьбы с пучением пород в горных выработках. М.: Шахтное строительство, 1974, №9, стр. 9-11.

63. Инструкция по выбору способа и параметров разупрочнения кровли на выемочных участках. М : Л, ВНИМИ.1982, стр.119.

64. Сребный М.А., Чельцов В.В. , Чельцова Н.Ч. Охрана выемочных штреков в условиях труднообрушаемых кровель. М.: ЦНИЭИ Уголь, М, 1981, стр.26.

65. Методические указания по исследованию горного давления на угольных и сланцевых шахтах, ВНИМИ, 1973, стр.102.

66. Балаенко Ф.А. Свойства горных пород и точки зрения управления кровлей. -М.: ОМТЧ НКТП, СССР, Мл-л, 1936, стр.108.

67. Гайхман Г.И., Панов А.Д. Научно-исследовательские работы ВУГИ по управлению кровлей в Донбассе, Подмосковном бассейне и Челябинском районе./ Труды освящения по управлению горным давлением М: Из. АН СССР ОТН, -1980.

68. Кузнецов Г.Н. Механические свойства горных пород М:Углетехиздат, 1947, стр.179.

69. Кузнецов Г.Н. Исследования по вопросам горного давления маркшейдерского дела. Сб. XXII, 1950, Л.ВНИМИ.

70. Васильев П.В., Малинин С.Н. Влияние основных геологических факторов на поведение пород в горных выработках. Госгортехиздат, 1960, стр.95.

71. Игнатьев Е.И., Иванов К.И. Подземная добыча гидравлическим способом на пластах тонкой и средней мощности. М: Углетехиздат, 1957, стр.325.

72. Давидянц В.Т. Совершенствование способов и средств управления кровлей на шахтах Донбасса. -М: Недра, 1969, стр.280.

73. Давидянц В.Т. Движение боковых пород при разработке пластов в Донецком бассейне Углетехиздат, 1948, стр.188.

74. Руководство по разработке паспортов крепления и управления кровлей в очистных выработках. ПечорНИИ проект, 1979, стр.74.

75. Борисов А.А. Расчеты горного давления в лавах пологих пластов. Недра, 1964, стр. 278.

76. Рева В Н., Мельников О.И., Райский В.В. Поддержание горных выработок, Москва, Недра, 1995, стр. 270.

77. Ф. П. Глушихин, С. Т. Кузнецов, А. А. Орлов. Единая классификация кровли пологих пластов. "Уголь", IV, 1982.

78. Прогрессивные паспорта крепления, охраны подготовительных выработок при бесцеликовой технологии отработки угольных пластов, ВНИМИ, 1985, 112стр.

79. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР. Изд. 4, Л., 1986; стр. 222.

80. Инструкция по выбору рамных податливых крепей горных выработок. СПб, ВНИМИ, 1991; стр. 125.

81. Яковлев Д.В., Воскобоев Ф.Н., Кузнецов С.Т. Об управлении состоянием массива горных пород. Горный вестник, №4, 1998, стр. 104- 108.

82. Временная инструкция по расчету и применению анкерной крепи на шахтах Печорского бассейна. ВНИМИ, СПб / ПечорНИИпроект, Воркута, 60стр.- 129

83. Инструкция по выбору способа и параметров разупрочнения кровли на вы емочных участках. П., ВНИМИ, 1991.

84. Ф.Н. Воскобоев, В.А. Звездкин, Ю.А. Семенов Активные способы управле ния геомеханическим состоянием массива при подземных разработках. Ме^ ждународная конференция, СПб, ВНИМИ, 1996.