автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Обоснование параметров технологии крепления и поддержания подготовительных выработок на шахтах Южного Кузбасса

Государственный комитет СССР по народному образованию

Московский ордена Трудового Красного Знамени горный институт

На правах рукописи

КОРЯГА Сергей Сергеевич

УДК 622.286/289 (043.3)

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ КРЕПЛЕНИЯ И ПОДДЕРЖАНИЯ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК НА ШАХТАХ ЮЖНОГО КУЗБАССА

Специальность 05.15.02 — «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 1991

Работа выполнена в концерне «Кузнецкуголь» и Московском ордена Трудового Красного Знамени горном институте.

Научи ы й рук о в о д 11 тел ь докт. техн. наук, проф. МИХЕЕВ О. В.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. НИЛЬВА Э. Э., канд. техн. наук, в. п. с. ЮСОВ А. Б.

Ведущее предприятие — производственное объединение по добыче угля «Ленинскуголь».

/ г~ 0 у ■

Защита диссертации состоится « V т . » . . . 1991 г. в .Ц . час. на заседании специализированного совета

К-053.12.02 в Московском торном институте по адресу: 117935, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться с библиотеке института.

11 1Л \

Автореферат разослан « . . . » . . . . . 1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета

канд. техн. наук, доц. ГУРБВИЧ Ю. С.

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для качественного развития экономик!! необходимо повышение эффективности работы топливно-энергетического комплекса как основы народного хозяйства страны. В угольной промышленности — одном из главных звеньев топливно-энергетического комплекса — требуется решить .проблему увеличения полноты извлечения запасов угля и уменьшения вредного .влияния горных работ на окружающую среду.

. Своевременное и качественное решение этих вопросов особенно .необходимо в настоящее время в связи с переходом большинства шахт Кузбасса к .добыче угля на больших глубинах с более сложными горно-геологическими условиями. Переход шахт к ведению горных работ на более глубоких горизонтах потребует выполнения, больших объемов по проведению и поддержанию подготовительных выработок и, следовательно, увеличения трудовых и .материальных затрат. Анализ состояния подготовительных выработок шахт Южного Кузбасса .показал, что одной из главных причин, обусловливающих необходимость перекрепления, является несоответствие параметров крепей и паспортов крепления выработок условиям их поддержания. Такое несоответствие вызвано тем, что .паспорта крепления проектируются в большинстве, случаев без обоснования их расчетами, а также значительной изменчивостью горно-геологических и горнотехнических условий поддержания выработок не только в пределах шахтного поля, но и выемочного столба.

Одной из основных причин больших материальных и трудовых затрат на поддержание выработок шахт Южного Кузбасса является отсутствие эффективных и экономичных конструкций крепей 'и надежных программ автоматизированного проектирования .паспортов крепления, основанных на прогнозировании реальных условии поддержания подготовительных выработок. Таким,образом, обоснование параметров технологии крепления и поддержания подготовительных выработок на основе использования математических методов их расчета на ЭВМ с учетом реальных горно-геологических условий эке-ллуатацни выработок является актуальной научной задачей,

способствующей улучшению состояния горно-подготовительных работ и (Повышающей технико-экономические показатели подземной добычи угля.

Цель работы является установление зависимостей, определяющих влияние основных горно-геологических и горнотехнических факторов на условия поддержания подготовительных .выработок, для обоснования параметров технологии крепления и поддержания выработок на шахтах Южного Кузбасса, обеспечивающих снижение трудоемкости и повышение эффективности горно-подготовительных работ.

Идея работы заключается в комплексном учете влияния основных горно-геологических и горнотехнических факторов <на эффективность крепления и поддержания подготовительных выработок на шахтах Южного Кузбасса.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна:

— зависимости между смещениями пород контура подготовительных выработок 'и основными горно-геологическими и горнотехническими факторами (приток воды в выработку, мощность пласта, угол падения пласта, ширина угольного целика, разрыв во времени между отработкой соседнего выемочного столба и проведением выработок и др.), отличающиеся комплексным учетом их влияния на устойчивость приконтур-ного ¡массива;

— вероятностно-статистическая модель прогнозирования условий поддержания подготовительных выработок на шахтах Южного Кузбасса, отличающаяся комплексным учетом влияющих горно-геологических и горнотехнических факторов;

— технологические и конструктивные параметры новой .металлической 'податливой крепи, отличающиеся повышенной устойчивостью и малой трудоемкостью ее установки и демонтажа по сравнению с аналогичными крепями подготовительных выработок на шахтах Южного Кузбасса.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

— достаточным объемом статистических данных, используемых для установления зависимостей (138 горных выработок 12 шахт концерна «Кузнецкуголь», наблюдаемых в течение 5 лет);

— удовлетворительной сходимостью результатов прогноза условий поддержания .подготовительных выработок с фактически наблюдаемыми при стендовых испытаниях и ведении горных работ (расхождение составило ¡не болеё 15—25%);

— положительным результатом внедрения новой конструкции крепи на ш. «Капитальная» концерна «Кузнецкуголь».

Значение работы. Научное значение работы состоит в разработке вероятностно-статистической модели прогнозирования условий поддержания выработок для конкретных горно-

геологических и горнотехнических ситуаций на шахтах Южного Кузбасса и создании на ее основе программы автоматизированного проектирования паспортов крепления подготовительных выработок.

Практическая ценность работы заключается в разработке новой конструкции крепи подготовительных выработок с повышенной устойчивостью и малой трудоемкостью ее установки и демонтажа и рекомендаций по дальнейшему совершенствованию технологии крепления и поддержания подготовительных выработок.

Реализация выводов и рекомендаций. Разработанная в работе новая конструкция металлической податливой бочкообразной крепи БИК-1 внедрена па ш. «Капитальная» концерна «Кузнецкуголь» при креплении выработок на пластах £-6,/(-3. Расчетный годовой экономический эффект от внедрения составляет 74 тыс. руб.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались на научных семинарах кафедры технологии и комплексной механизации горных работ Тульского политехнического института (1987—1990 гг.) и кафедры технологии, механизации и организации подземной разработки угля Московского горного института ('1989— 1990 гг.), на технических советах концерна «Кузнецкуголь» и шахт, входящих в его состав (1987—1990 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано семь научных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 119 страниц машинописного текста, 34 таблицы, 35 рисунков, список литературы 'из 87 наименований.

Автор выражает особую благодарность канд. техн. наук, доц. Н. В. Гаврилову (ТулПИ) за научные консультации, оказанные при выполнении работы.

Основное содержание работы

Совершенствованию теоретических представлений о работе шахтных крепей и методов их расчета для выбора рациональной технологии крепления и поддержания подготовительных выработок посвящены труды И. В. Баклашова, Н. С. Булычева, М. Н. Гелескула, В. Т. Глушко, Г. И. Грицко,

B. Н. Каретникова, Б. А. Картозии, Ю. М. Либермана,

C. А Орлова, В. Л. Попова, А. П. Широкова, Г. Л. Фисен-ко и й. Л. Черняка.

В результате анализа производственно-хозяйственной деятельности шахт концерна «Кузнецкуголь» в области горноподготовительных работ и обобщения научно-технической литературы, посвященной исследованию работы крепей горных выработок, 'установлено, что:

.— в условиях дефицита металла объем использования наиболее работоспособных металлических арочных и трапециевидных крепей в тяжелых условиях отработки угольных пластов Южного Кузбасса составил всего 25%, а в особо тяжелых 50% объема использования всех крепей;

— одной из главных причин роста объема потерь метал-локрепи из ОВП «з-за невозможности восстановления ее несущей способности является несоответствие параметров крепей .и паспортов крепления выработок условиям их поддержания;

— конструкции применяемых металлических рамных крепей из СВП в подготовительных выработках имеют ряд недостатков: небольшую способность на единицу собственной массы; невысокую способность к сопротивлениюизгибно-крутиль-ным деформациям от действия сложных пространственных нагрузок; недостаточную 'конструктивную податливость из-за отсутствия в арочных крепях шарнирных соединений, что снижает их несущую способность при невозможности рационально перераспределять действующую на них неравномерную и ¡несимметричную нагрузку;

— .наиболее перспективными методами прогнозирования ожидаемых ;нагрузок на крепь подготовительных выработок, расположенных в конкретных горно-геологических условиях отработки угольных пластов шахт Южного Кузбасса, являются аналитико-экспериментальный и вероятностно-статистический, сочетающие в себе современный математический аппарат, описывающий сложный механизм поведения системы крепь — массив'-и результаты шахтных инструментальных наблюдений;

— 'Наиболее эффективной расчетной моделью взаимодействия крепи и массива горных пород является обобщенная модель ТулПИ, .позволяющая учитывать пластические деформации элементов крепи.

В соответствии с поставленной целью и на основании проведенного анализа в работе решались следующие научные задачи:

обоснование и выбор методики исследований несущей способности существующих и »новых конструкций рамных металлических крепей, применяемых на шахтах Южного Кузбасса;

— разработка вероятностно-статистической модели прогнозирования условий поддержания подготовительных выработок;

проведение шахтных инструментальных наблюдений за проявлениями горного давления в подготовительных выработках различного технологического 'назначения;

— разработка алгоритма и программы автоматизированного проектирования паспортов крепления и поддержания подготовительных выработок для конкретных горно-геологи-

ческих и горнотехнических условий шахт Южного Кузбасса;

— разработка конструкции и обоснование параметров новой крепи подготовительных выработок для условий шахт Южного Кузбасса;

— совершенствование конструкций узлов -податливости и межрамных -связей крепи подготовительных выработок;

— разработка рекомендаций по дальнейшему совершенствованию технологии крепления и поддержания подготовительных выработок на шахтах Южного Кузбасса;

— оценка технико-экономической эффективности внедрения результатов исследований.

В качестве .методов исследований использовались методы теории вероятностей и математической статистики, регрессионный анализ, а также методы шахтных инструментальных наблюдений и математического моделирования на ЭВМ.

Методика исследований -несущей способности рамных металлических крепей подготовительных выработок предназначена для исследований методам моделирования на ЭВМ несущей способности крепей из элементов постоянной жесткости по предельным состояниям как в линейной, так и в нелинейной постановке с учетом геометрической, физической и конструктивной нелинейности, основными задачами которой являлись:

— определение пластических деформаций и податливости рамных .металлических крепей, применяемых на шахтах концерна «Кузнецкуголь»;

— учет ¡пространственного характера действующих нагрузок;

— учет деформированного состояния крепи в процессе на-гружения;

— учет реактивных сил трения, касательного упругого отпора вмещающих пород и эксцентриситета приложения касательных нагрузок.

Для ¡исследования несущей способности крепей использовался метод приращения нагрузок, сущность которого заключается в том, что действующая на крепь нагрузка разбивается «а несколько ступеней, ¡прикладываемых последовательно одна за другой. При этом крепь рассчитывается по предельным состояниям с учетом физической нелинейности после каждой ступени нагружения. При достижении внутренними усилиями в какой-либо из сечений значений, соответствующих граничным состояниям ¡между, двумя качественно отличающимися стадиями работы крепи, в расчетную схему автоматически вносятся изменения, которые учитываются при последующих приращениях нагрузки. В расчетах -предусмотрено поэтапное (ступенчатое) нагружение крепи, причем количество ступеней равняется 10, а величина каждой ступени составляет 20 кН/м. . . . ' '.•••■

Исходными данными для расчета являлись геометрические и деформационные параметры -крепи, коэффициенты отпора .и заданные активные нагрузки. Исследования ¡предельных состояний и несущей способности данных типов крепей проводились на ЭВМ.

Проведенные расчеты позволили установить 'предельную несущую способность в податливом и жестком режимах работы при вертикальном натр ужен и« и горизонтальном отпоре различных типов рамных крепей, которая соответственно составила: для крепи А-10—17—250,6 и 292,6 кН; для крепи А-13—22—ЗМ',6 и 343,4 кН; для -крепи ИПК-17—206,6 и 219,6 кН; для крепи ИПК-22—305,7 и 324,6 кН.

Для изучения влияния горно-геологических и горнотехнических -факторов на условия ¡поддержания выработок нами были собраны и обработаны методами математической статистики экспериментальные данные по 138 штрекам 12 шахт Южного Кузбасса.

За -критерий оценки состояния выработок в зависимости от различных горно-геологических 'И горнотехнических условий ¡принималась величина максимального смещения -прикон-турного слоя -кровли выработки, находящейся в-не зоны опорного давления. По величине смещения КузНИУИ выделяет 4 типа условий поддержания: легкие, средние, тяжелые и особо тяжелые, соответствующие четырем интервалам смещений: менее 50, от 50 до 200, от 200 до 500 и более 500 -мм.

Для выявления горно-геологических и горнотехнических -факторов, наиболее значимых по степени влияния на величину смещения кровли подготовительных выработок .вышеназванных шахт, нами -отобраны 19 факторов, которые в той или иной степени оказывают влияние на эффективность поддержания штреков: глубина заложения выработки, ширина охранного целика, -сохранение штреков в соседнем выемочном столбе, разрыв во времени между отработкой соседнего столба и -проведением штрека, подрывка пород, приток воды в выработку, характеристика основной кровли, характеристика непосредственной кровли, склонность почвы к пучению, геологическая мощность пласта, -плотность установки крепи, способ проходки выработки, тип и форма крепи, расстояние от пласта до основной кровли, материал крепи, угол -наклона пласта относительно линии направления выработки, угол мег жду направлением системы трещин ,и линией выработки, наличие нарушения с разрывом сплошности по линии .направления -выработки.

Обработка статистических данных проводилась на ЭВМ с помощью регрессионного -анализа. Анализ позволил выявить следующие наиболее значимые с точки зрения условий (поддержания выработок горно-геологические и горнотехнические факторы: разрыв во времени между отработкой соседнего

столба и проведением штрека, приток воды в выработку, ширина охранного целика, мощность угольного пласта, расстояние ¡между угольным пластом и основной кровлей, угол между направлением системы трещин и направлением простирания штрека и угол наклона пласта (рис. 1).

В настоящее время наиболее эффективным методом прогноза устойчивости пород кровли и почвы 'подготовительных выработок является вероятностно-статистический, основанный на применении формулы Байеса и использующий результаты натурных наблюдений в большом числе выработок. Использование этого метода особенно важно для подготовительных выработок, подверженных влиянию очистных работ, для которых разработка аналитических методов определения смещений пород является исключительно трудной задачей в связи со сложностью оопределения напряжений. Условия иод-держания выработок оцениваются по величинам смещений пород на ее контуре и нагрузок на крепь. По этим величинам выбирают тип, параметры крепи и паспорт крепления выработки, поэтому от точности их определения зависят состояние выработки в период эксплуатации и затраты на ее поддержание.

В качестве влияющих используем те же горно-геологические и горнотехнические факторы, выбранные для регрессионного анализа.

Сущность метода состоит в следующем. Влияющие факторы и прогнозируемые величины рассматриваются как случайные параметры, распределения кооторых определяются методами математической статистики. Диапазон изменения каждого фактора разбивается на интервалы, называемые признаками. Если обозначить число учитываемых факторов через л, а признаки через (1 = 1, 2, 3... А^, где I—номер признака, а N—общее число признаков), то состояние выработки будет описываться определенной совокупностью признаков.

Диапазоны изменения прогнозируемых величин так же, как и значения факторов разбиваются на интервалы. Для каждого из интервалов прогнозируемых величин Р, (/ = 1, 2, 3..., т\ где, т — число интервалов) по статистическим данным определяются значения вероятностей попадания в него признаков , которые обозначим Р,-у .

Для определения вероятности Р] попадания выработки в интервал прогнозируемой величины в предположении, что попадание в каждый из интервалов равновероятно, используется формула Байеса:

п

Интервал 'прогнозируемой величины выбирается по максимальному значению вероятности Р).

Таким образом, на основании экспериментальных данных, охватывающих широкий спектр влияющих факторов, ■можно- прогнозировать величины смещений боковых пород для проектируемой выработки и условия ее поддержания.

Для вычисления вероятностей Рц и прогнозирования условий поддержания штреков все факторы были разделены па признаки, наиболее характерные для условий шахт Южного Кузбасса.

'.В результате обработки данных по 138 штрекам вероятностно-статистическим методом были получены эмпирические значения вероятностей признаков для указанных интервалов смещений. Обработка данных, проведенная на этом этапе, позволила уточнить перечень влияющих факторов, выявить признаки, не оказывающие влияния на условия поддержания, определить объем недостающих данных по конкретным факторам ш 'признакам для ¡последующего их'пополнения. Использование распределения статистической вероятности'признаков позволяет еще до проведения конкретно выбранного штрека моделировать наиболее вероятные величины смещений пород кровли вне зоны опорного давления, 'аследовательно,условия поддержания штрека.

Результаты, -полученные на основании использования вероятностно-статистической модели прогнозирования условий поддержания горных выработок, и выявленные зависимости смещений 'пород кровли от различных горно-геологических и горнотехнических факторов, а также методика расчета несущей способности крепей использованы при разработке программы автоматизированного проектирования паспортов крепления и поддержания подготовительных выработок шахт концерна «Кузнецкуголь»: • ■

Программа автоматизированного проектирования паспортов крепления и поддержания, подготовительных выработок предусматривает .выбор оптимального типа крепи для заданных условий (расчет в режиме оптимизации) и расчет параметров паспорта крепления для заданных .условий " (режим конкретного расчета). При работе в'режиме КонКрё'тнбго "расчета в Качестве исходных данных задается конкретная 'конструкция крепи и рассчитываются, параметры паспорта" крепления выработки! В режиме" оптимизации производится последовательный расчет вариантов по всем' возможным Для данных горно-геологических и горнотехнических условий конструкциям крепи, в результате которого выбирается оптимальный вариант крепления. В качестве критерия оптимизации используется или расход металла на крепление 1 м выработки, 'или удельная стоимость'крепления.

Для. внедрения программы проектирования паспортов крепления и поддержания-подготовительных выработок были проведены расчеты на ЭВМ для горно-геологических и горнотехнических условий 33 ¡подготовительных выработок семи шахт концерна «Кузнецкуголь». Внедрение разработанной программы на шахтах концерна «Кузнецкуголь» показало, что существующая практика применения крепей сопряжена с перерасходом материальных и трудовых. ресурсов вследствие несоответствия нормальных документов на проектирование паспортов крепления -подготовительных выработок реальным горно-геологическим и горнотехническим условиям" работы крепей. В связи с переходом большинства шахт на более глубокие горизонты, ухудшением торно-геологических и горнотехнических условий отработки угольных пластов сечение проводимых подготовительных выработок увеличилось в среднем на 28%; объем их крепления металлической крепью — на 20,7%; объем проведения выработок с ¡присечкой вмещающих шород—более чем в 1,3 раза; удельный расход металлокре-(Пи — в 1,7 раза, а стоимость крепления — почти в 2 раза, поэтому очевидна необходимость разработки новых рациональных конструкций металлических крепей для различных условий поддержания, разных поперечных сечений выработок с учетом перспективы развития горнодобычных работ на шахтах концерна «Кузнецкуголь».

При выборе рациональной конструкции крепи принято учитывать ряд очевидных, но противоречивых требований, таких, как прочность материала крепи, высокая несущая способность, ¡малая металлоемкость, долговечность, многократность использования, недефицитность, низкая стоимость, удобство и возможность механизации процессов монтажа, демонтажа, транспортировки крепи и др. Удовлетворить одновременно всем этим требованиям .нельзя, можно только путем сравнения вариантов выбрать из них наиболее экономичную -конструкцию,- как это и делается в практике проектирования крепей.

Несущая способность крепи в значительной степени определяется целым рядом чисто конструктивных решений, таких, хак выбор формы очертания крепи, формы поперечного сечения ее элементов, типа, числа и мест расположения соединительных узлов.

При выборе формы очертания крепи в условиях слоисто-устойчивого породного массива в кровле угольного пласта необходимо в максимальной степени использовать несущую способность непосредственной кровли, исключив ее подработку, т. е. верхний, элемент крепи должен быть прямолинейным. Учитывая наличие бокового отпора (Я = 0,5), криволинейное очертание боко-вых стоек будет наиболее рациональным. При этом узел податливости, -как показали результаты

Шахтных инструментальных наблюдений, «а шахтах концерна «Кузнецкуголь», должен располагаться в той части стойки, касательная к которой будет перпендикулярна к кровле пласта, что обеспечивает наиболее благоприятные условия для его работы. Таким образом, форма новой .перспективной конструкции крепи подготовительных выработок должна быть бочкообразной, однако необходим другой профиль верхняка, так как низкий момент сопротивления верхняка из СВП на изгиб в плоскости рамы определяет в значительной мере низкую несущую способность всей рамы крепи.

На наш взгляд, в условиях слоистоустойчивой кровли, наиболее характерной для шахт Южного Кузбасса, двутавры общего назначения могут найти широкое применение для изготовления прямолинейных элементов инвентарных крепей подготовительных выработок. Возможность их применения обосновывается следующими (факторами:

— использованием балок небольшого сечения, у которых не так велико различие моментов сопротивления при изгибе в плоскости и кручении;

— незначительной длиной верхняков крепей;

— возможностью усиления верхняков за счет жестких •пространственных связей (распоров) между рамами крепи, повышающими сопротивление скручиванию;

— допустимостью принятия при расчетах элементов инвентарных крепей повышенных запасов прочности.

Опираясь ¡на эти факторы, нами была разработана инвентарная металлическая бочкообразная крепь БИК-1 (рис. 2), верхняк которой выполнен из двутавровой балки общего назначения. Стойки рамы выполнены из двух однотипных ¡сегментов специально взаимозаменяемого профиля ОВП, длина которых изменяется ib зависимости от угла наклона угольного пласта. Податливое соединение сегментов стойки между собой, а также жесткое соединение соседних ра-м обеспечивается применением клиновых замков специальной конструкции, имеющих несущую способность 120—'150 кН, а также межрамными стяжками из стали периодического профиля диаметром 25 ¡мм.

Предлагаемая конструкция крепи типа БИК-1 имеет ряд преимуществ перед применяемыми в настоящее время на шахтах ¡концерна конструкциями рамной металлической крепи. Крепь БИК-1 имеет по сравнению с крепью ИПК-17 меньшую общую массу (на 23,6%) и меньшую массу наиболее тяжелого элемента— верхняка (на 62,8%). Кроме того, стойки крепи БИК-1 за счет своей криволинейной формы обеспечивают повышенную несущую способность при воздействии ¡боковых нагрузок.

Клиновые податливые соединения с безболтовыми меж-рам'ными связями, а также шарнирные узлы соединения верх-

S t>

гз

[ч,

за Г, юс.

ft ft Л,м

а ч ц га M я*/ч

ив 4M /

/ /

У /

m в / /

т,м

Рые.1. iaíueunaemu смчцечиС лгрвЗ яреЬи tuina«*** штргяа* (V) шахт яа»я*ряа . ¿у^цжугвл* 'от:

péiptiía Sa времени хсхЗу ampaSamraû Si/емачнога столба я /граМаииём штрщяв (Г) ■ f. аритаяа 6оЗ» í ¡»райвтму fe); S- угвльмего иелияа (в) ; г- парности

го яла cm & ( /у* J ,

Hti4 I

A-A

fue. 2. Конструкция Kfitnu ; 3Sirma{po¡*iü ёчржмвм * 2" Шлвмёять/ s.-пов z из СЯЛ <

Т- KSuHoitit заняи • V- распер ы ; £- /ч*жрамя»и ei» tu из стали п»риоЗи**еяог» про ou л я ; S- хомут K*tunetoro >амка ; 7- /елим.

няка со стойками крепи БИК-1 и меньший вес элементов крепи обеспечивают существенное снижение трудоемкости и повышение темпов монтажа ¡и демонтажа крепи. Безболтовые межрамные связи из ¡стали периодического профиля позволяют устанавливать рамы крепи БИК-1 с любым шагом, определяемым в конкретных горно-геологических и горнотехнических условиях.

С целью оптимизации конструкции крепи БИК-1 было проведено математическое моделирование ее несущей способности на ЭВМ.

В качестве основных задач математического моделирования работы крепи БИК-1 были выделены следующие:

— выбор рационального сортамента двутавра;

— оптимизация длины верхняка из двутавра;

— исследование несущей способности крепи БИК-1 при изменении угла наклона верхняка.

В результате математического моделирования работы «рели БИК-1 в горно-геологических условиях шахт Южного Кузбасса установлено:

— оптимальным является верхняк из двутавра № 16;

— изменение угла наклона верхняка в пределах 4—20° не влияет ,на несущую способность крепи при условии обеспечения жесткого распора крепи с окружающим углепородным массивом в районе шарнирных соединений верхняка и стоек;

— оптимальная длина верхняка из двутавра № 16 должна находиться в пределах 1,6—2,0 м, при этом несущая способность крепи составляет 260—340 кН.

Определенные в результате моделирования на ЭВМ оптимальные конструктивные параметры крепи БИК-1 позволили разработать рабочие 'чертежи крепи с целью изготовления ее опытной партии и проведения стендовых и опытных шахтных испытаний.

Для оценки работоспособности разработанной конструкции крепи БИК-1 и установления правильности выбора ее основных параметров были проведены стендовые испытания в сравнении с широко применяемыми на шахтах Южного Кузбасса металлическими рамными крепями типа А-10—17 и ИПК.

Параллельно с этим проводился сравнительный анализ результатов исследований несущей способности данных конструкций крепей на ЭВМ с результатами стендовых испытаний.

Результаты стендовых испытаний и расчетов на ЭВМ несущей способности крепей А-10—17, ИПК-17 и БИК-1 сведены в табл.

: .\В качестве основного вывода по результатам стендовых испытаний инвентарной металлической податливой бочкообразной крепи БИК-1 можно отметить следующее. Несущая способность крепи БИК-1 как в жестком, так и в податливом

Таблица

- - . ч , Несущая способность, кН

стендовые испытания расчеты на ЭВМ

Тип крепи ■ ' . податливый жеаткий податливый жеОгкий

.режим режим режим ■ Дэежмм

работы работы работы ¡работы

АЛО—17 214,0 '335,0 ' ' 250,6' 292,0

ИПК-17 ?33,0 247,0 206, С 219,0

ВЦК.-1 ■'-"•• 228,0' 319,2 250,0 —

режимах практически , совпадает с аналогичными «показателями арочной 'крепи А-10—17, выше на 45,6% несущей способности трапециевидной крепи ИПК-17 в жестком режиме работы и практически одинаковы, в податливом режиме.. ... Таким образом, обладая меньшей 'металлоемкостью, трудоемкостью монтажа-демонтажа, крепь БИК-1 имеет, более высокие технологические параметры, чем серийно, выпускаемые типовые/крепи для аналогичных сечений подготовитель' пых выработок; проводимых в условиях .Южного Кузбасса.

Проведенный сравнительный'анализ показал высокую сходимость результатов теоретических (на ЭВМ) и прикладных (стендовых) исследований, которая составила для крепи А-10—17 82,9 % при работе в податливом и 87,3%' при работе в жестком режиме, для крепи ИПК-17 соответственно 88,7 и 89,9%, для крепи БИК-1 86% шри работе в податливом режиме, что подтверждает достаточную надежность усовершенствованной методики.

, Опытные шахтные испытания крепи БИК-1 проводились «а ш, «Капитальная» концерна «Кузнецкуголь» при креплении вентиляционного штрека лавы 1—1—6—15 пласта Елбан-ский-6. Протяженность опытного участка составила 50 м.

За время испытаний (октябрь 1990 — январь 1991 г,) установлено следующее.

За весь период наблюдений (15 дней) с момента' установки трех контрольных рам крепи БИК-1 зарегистрирован рост нагрузок на них, достигающий 15—20 «Н/м, причем характер .изменения нагрузок в течение времени наблюдений имеет линейный характер. При этом по глубинным реперным станциям установлено смещение нижнего приконтурного слоя мощностью. 1,0 м на 25 мм и вышераоположенного .слоя мощностью 1,5 м на 15 мм; Взаимных смещений в узлах податливости за весь период наблюдений зарегистрировано не было, что объясняется невысокой нагрузкой на .крепь со стороны пород •приконтурного массива.. Измерениями с помощью кривизно-мера и визуальными наблюдениями установлено, что каких-либо деформаций или поломок верхняков, стоек, отдельных соединительных узлов крепи БИК-1 не было.

Затраты времени на монтаж крепи БИК-1 в вентиляционном штреке 1 —1—6—15 распределялись следующим образом. Монтаж производился двумя, проходчиками. Первые три рамы монтировались по 30-мин каждая. Затем с приобретением на-' выка рабочими время монтажа снизилось до 15—20 мин на раму. ■

Результаты проведенных выше исследований позволили разработать ряд рекомендаций, направленных на дальнейшее совершенствование .процессов крепления н поддержания подготовительных выработок для условий Южного Кузбасса. Внедрение данных рекомендаций позволяет выбирать оптимальные паспорта крепления и поддержания горных (выработок, а также проектировать новые конструкции металлических рамных крепей.

Экономический эффект от внедрения в производство металлической податливой бочкообразной крнпн БИК-1 получен в результате снижения металлоемкости, уменьшения плотности установки рам крепи за счет более надежного контакта верхнего элемента крепи с породами непосредственной кровли и уменьшения нарушенное™ приконтурпых слоев по сравнению с базовым вариантом, а также уменьшения объема вынимаемой при проходке горной породы на 1 пог. м из-за изменения геометрической формы выработки.

В качестве базового варианта для сравнения с разработанной в работе новой конструкцией металлической податливой бочкообразной крени БИК-1 принимается широко используемая для крепления горных выработок на шахтах Южного Кузбасса металлическая податливая арочная крепь А-10—17, имеющая сходные технические характеристики.

Годовой экономический эффект от внедрения металлической бочкообразной крепи БИК-1 на ш. «Капитальная» концерна «Кузпецкуголь» составил 74,0 тыс. руб.

Заключение

В диссертации дано повое решение актуальной для угольной промышленности задачи обоснования параметров технологии крепления и поддержания подготовительных выработок па шахтах Южного Кузбасса, обеспечивающих снижение трудоемкости и повышение эффективности горно-подготовительных работ.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации заключаются в следующем:

1. Установлено, что в условиях дефицита металла объем Использования наиболее работоспособных' металлических рамных крепей подготовительных выработок в тяжелых условиях отработки угольных пластов Южного Кузбасса составил всего 25%, а в особо тяжелых —50% объема использования

■ЬЧ

всех типов крепей. Одной из главных причин роста объема потерь металлических рамных крепей из СВП из-за невозможности восстановления несущей способности является несоответствие их параметров и паспортов крепления горных выработок условиям поддержания.

2. Установлено, что одним из путей совершенствования технологических схем проведения и 'поддержания подготовительных выработок является решение вопроса рационального крепления за счет разработки новых конструкций крепей, сочетающих в себе достоинства серийно выпускаемых арочных и трапециевидных, упрощающих процессы монтажно-демон-тажных работ, а следовательно, уменьшающих трудоемкость горно-подготовительных работ и увеличивающих производи-дительность труда горнорабочих.

3. Определено, что одним из главных направлений совершенствования крепей подготовительных выработок является применение при их конструировании математических методов расчета несущей способности и прогнозирования условий их поддержания, базирующихся на использовании большого объема натурных исследований прооцессов взаимодействия крепей с массивом горных пород в конкретных горно-геологических и горнотехнических условиях.

4. Разработаны алгоритм и программа автоматизированного проектирования паспортов крепления и поддержания подготовительных выработок, позволяющая выбрать оптимальный тип крепи и определить параметры паспорта крепления для конкретных условий отработки угольных пластов, внедрение которой на шахтах концерна «Кузнецкуголь» показало, что существующая практика применения крепей сопряжена с перерасходом материальных и трудовых ресурсов из-за несоответствия нормативных и методических документов по расчету крепей реальным условиям их работы.

5. Разработана новая конструкция металлической податливой бочкообразной крепи БИК-1, позволяющая существенно снизить трудоемкость, повысить темпы ее возведения и извлечения. Разработана новая конструкция узла податливости, повышающая надежность работы рамных крепей за счет упорного элемента, обеспечивающего пространственную устойчивость рамы, испытание которое на ш. «Капитальная» концерна «Кузнецкуголь» подтвердило его работоспособность и возможность многократного использования.

6. Установленные методом математического моделирования на ЭВМ конструктивные параметры крепи БИК-1 были проверены в ходе стендовых испытаний в сравнении ^параметрами серийно выпускаемых рамных металлических крепей А-10—17 и ИПК-17. Сравнительный анализ результатов испытаний показал, что несущая способность крепи БИК-1 как в жестком, так и в податливом режимах практически совпадает

с аналогичными (показателями арочной крепи А-10—17 (соответственно 319, 335 ;и 228, 214 кН) и выше на 45% несущей способности трапециевидной крепи ИПК.-17 в жестком режиме работы при одинаковой в податливом.

7. Разработаны рекомендации по совершенствованию крепления и поддержания 'подготовительных выработок в конкретных горно-геологических и горнотехнических условиях шахт Южного Кузбасса.

8. Расчетный годовой экономический эффект от внедрения новой конструкции металлической податливой бочкообразной крепи БИК-1 на ш. «Капитальная» концерна «Кузнецкуголь» ■составляет 74 тыс. руб. и получен в результате снижения металлоемкости и уменьшения плотности установки рам крепи за счет более надежного контакта верхнего элемента крепи с породами 'непосредственной кровли и уменьшения нарушен-ности приконтурных слоев по сравнению с аналогичными серийно выпускаемыми типами крепей, а также меньшего объема -вынимаемой при проходке горной массы из-за изменения геометрической формы выработки.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Коряга С. С. Разработка алгоритма и пакета прикладных программ системы автоматизированного проектирования 'паспортов крепления подготовительных выработок шахт Южного Кузбасса//Разработка локальных гндрокомплексов для добычи угля в -сложных условиях: Сб. науч. тр./МГИ.М., 1990. С. 144—150.

2. Коряга С. С. Технический уровень и тенденция развития анкерной крепи//Разработка локальных гидрокомплексов для добычи угля в сложных условиях: Сб. науч. тр./МГИ. М„ 1990. С. 150—156.

3. Коряга С. С. Исследование несущей способности при изгибе балок из профилей СВПУ-14а и СВП-17//Разработка локальных гидрокомплексов для добычи угля в сложных условиях: Сб. науч. тр./МГИ. М„ 1990. С. 135—144.

4. Лавров С. И., Коряга С. С., Гаврилов Н. В. Основные направления решения проблем крепления и поддержания подготовительных выработок шахт ПО «Южкузбассуголь»//Под-земная разработка тонких и средней мощности угольных .пластов: Сб. науч. тр./ТулПИ. Тула, 1988. С. 25—31.

5. Лавров С. И., Коряга С. С. Анализ применяемых конструкций крепей подготовительных выработок шахт производственного объединения «Юж.кузбассуголь»//Научн'0-техниче-ские разработки ВНИИгидроугля и МГИ: Сб. науч. тр./МГИ. М., 1989. С. 175—179.

6. Лавров С. И., Коряга С. С., Гаврилов Н. В. Исследование крепей, применяемых в ПО «Южкузбассуголь»//Подзем-ная разработка тонких ■передней мощности угольных пластов: Сб. науч. тр./ТулПИ. Тула, 1989. С: 35—41. :

7. Анализ результатов опытной эксплуатации системы автоматизированного проектирования паспортов крепления подготовительных выработок, проводимых в слоистых массивах устойчивых ¡пород/Н. В. Гаврилов, Б. А. Сокол, С. С. Коряга и др.//Механизация горных работ на 'шахтах: Сб.-науч. тр./ТулПИ. Тула, 1990. С. 152—158.

Фомат 60X90/16 Заказ ЛЬ 85

Подписано в печать 28.02.1991 г.

Объем 1 печ. л.+ 2 вкл. Тираж 100 экз

Типография Московского ордена Трудового Красного Знамени горного института.

Ленинский проспект, G