автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Обоснование способов повышения устойчивости кровли в очистном забое при периодическом характере проявления горного давления

Министерство науки, высшей школы и технической политики Российской Федерации

Гсс/ля?«9!«'Московский ордена Трудового Красного Знамени 6»Сп«т» горный институт

«ТЛИ дошгта»*

На правах рукописи

ГРЯДУЩИЙ Юрий Борисович

УДК 622.831.22 : 622.831.323 (043.3)

ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ КРОВЛИ В ОЧИСТНОМ ЗАБОЕ ПРИ ПЕРИОДИЧЕСКОМ ХАРАКТЕРЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.15.02 — «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993

Работа выполнена в производственном объединении по добыче угля «Макеевуголь» и Московском ордена Трудового Красного Знамени горном институте.

Научный руководитель докт. техн. наук, проф. ЧЕРНЯК И. Л.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, вед. науч. сотр. ЖУРИЛО А. А., канд. техн. наук ДИКОЛЕНКО Е. Я.

Ведущее .предприятие — производственное объединение «Донецкуголь».

Защита диссертации состоится «$$. -»¿ьА^РЛЦ 1993 г.

в Т. час. на заседании специализированного совета

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан « » . . . 1993 г.

Секретарь ученого совета,

канд. техн. наук, ст. науч. сотр. КОРОЛЕВА В. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Основным звеном угольной шахты является очистной забой. На его эффективную работу влияют многие факторы. Одним из основных факторов является устойчивость кровли.

При управлении кровлей в очистных забоях полным обрушением напряженно-деформированное состояние массивов горных пород изменяется периодически. Это должно накладывать свой отпечаток на устойчивость кровли в рабочем пространстве очистного забоя.

В изменяющемся поле, повышенных напряжений объемы вывалов пород кровли изменяются периодически. Это приводит к снижению нагрузки на очистной забой, связанному с простоями выемочной техники при ликвидации последствий вывалов. В настоящее время этот фактор не учитывается при проектировании нагрузки на очистной забой и прогнозе изменчивости устойчивости кровли при его родвнгании.

С позиций периодического характера проявлений опорного давления устойчивость и вывалы пород кровли во взаимосвязи ранее не исследовались. Поэтому установление закономерностей изменения объема вывалов кровли обоснования способов их предотвращения является актуальной задачей.

Цель работы — установление зависимостей устойчивости пород кровли и ее изменчивости с учетом вывалов для обоснования способов предотвращения вывалов, обеспечивающих эффективную работу очистных забоев.

Идея работы заключается в учете влияния периодического характера изменения опорного давления на устойчивость и вывалы пород кровли в очистном забое.

Научные положения, разработанные лично диссертантом, и их новизна:

установлен периодический характер изменения объема вывалов кровли и его взаимосвязь с периодическим характером проявлений горного давления, позволяющий обоснованно прогнозировать участки с неустойчивой кровлей по длине выемочного столба;

механизм формирования вывалов кровли, отличающийся учетом периодического характера изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород впереди очистного забоя;

изменчивость объема вывалов пород кровли по длине очистного забоя, отличающаяся учетом влияния выработанного пространства и массива горных пород, позволяющая прогнозировать объемы вывалов пород кровли в различных частях очистного забоя;

влияние отдельных слоев кровли на изменчивость вывалов в рабочем пространстве очистного забоя, позволяющее определять пути управления наиболее значимыми из них.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована:

статистически надежным объемом результатов шахтных инструментальных наблюдении в горно-геологических условиях пласта т3 (выполнено более 14000 измерений);

удовлетворительной сходимостью результатов аналитических и экспериментальных исследовании изменения объема вывалов кровли в рабочем пространстве очистного забоя во взаимосвязи с периодическим изменением горного давления (расхождения не превышает 15—20%).

Научное значение диссертационной работы заключается в установлении зависимостей изменения объема вывалов кровли в рабочем пространстве очистного забоя и механизма формирования вывалов от периодических проявлений горного давления. ■

Практическое значение диссертационной работы заключается в установлении по длине выемочного столба зон с неустойчивой непосредственной кровлей, обосновании способов повышения ее устойчивости, разработке рекомендаций но повышению устойчивости кровли в рабочем пространстве очистных забоев и совершенствовании организации технологических процессов, выполняемых при ведении очистных работ.

Реализация выводов и рекомендаций. Для условий пласта т3 разработаны рекомендации по повышению устойчивости кровли в рабочем пространстве очистного забоя. Ожидаемый экономический эффект от внедрения рекомендаций составляет 1110, 35 тыс. руб.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 4 печатные работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 151 странице машинописного текста, содержит 15 рисунков, 18 таблиц, список использованной литературы из 80 наименований.

о

Основное содержание работы

Вопросу повышения устойчивости кровли в очистных забоях посвящено большое количество теоретических и экспериментальных исследовании. Значительный вклад в его решение внесли институты ИГД им. А. А. Скочинского, ВНИМИ, ДонУГИ, ИПКОН, МГИ, ЛГИ, ДПИ, ДГИ и др.

Проведенный анализ исследований проявлений горного давления в очистных забоях показал, что в настоящее время существует целый ряд гипотез, описывающий причины формирования горного давления в очистном забое. Интенсивность проявлений горного давления в очистном забое, а следовательно, и устойчивость кровли, зависит от большого числа горно-геологических и горнотехнических факторов. Основными из них являются литологнческий состав и физнко-механнческие характеристики пород непосредственной и основной кровли, глубина ведения горных работ, мощность пласта, скорость подвпгання очистного забоя, сопротивление крепи н др.

В то же время проявления горного дав,тения характеризуются большой изменчивостью. Она имеет закономерный характер и оказывает существенное влияние на все процессы, протекающие в массиве пород, в том числе па устойчивость кровли в очистном забое. Изменчивость устойчивости кровли носит периодический характер. Эта периодичность связана с зависанием и обрушением слоев пород непосредственной и основной кровли.

Проведенный анализ исследований показал, что вывало-образоваипе — сложный геомехапический процесс, связанный с движением очистного забоя п изменением напряженно-деформированного состояния пород кровли. Он тесно связан с глубиной разработки и проявлениями опорного давления. Интенсивность вывалообразовання зависит от природных и технологических факторов. К первым из них следует отнести мощность пласта, прочность пород кровЛи, мощность непосредственной кровли, трещнноватость и сплошность пород. Ко вторым — крепь н ее параметры, скорость подвига-ппя очистного забоя, способ управления кровли, глубину разработки. Однако пока еще отсутствуют работы, учитывающие периодический характер изменения вывалов кровли в рабочем пространстве очистных забоев.

Анализ литературы показал, что полученные в результате выполненных исследований знания легли в основу способов повышения устойчивости кровли н предотвращения вывалов в рабочем пространстве очистных забоев.

Увеличение глубины разработки угольных пластов в значительной мере усложняет ведение очистных работ. Причиной этого является снижение устойчивости кровли и увели-

чение числа и объемов вывалов. В ряде горно-геологических условий применяемые способы повышения устойчивости кро-влл не дают необходимого эффекта.

Важным условием повышения эффективности применения способов является определение их параметров и рациональной области применения. Это может быть достигнуто на базе знаний закономерностей проявлений горного давления в очистных забоях. Анализ исследований устойчивости кровли и вывалов пород показал, что в настоящее время достаточно глубоко исследованы основные закономерности этих явлений и определены факторы, влияющие на них. Однако с позиций периодического характера проявлений опорного давления устойчивость кровли и вывалы пород ранее не рассматривались. Такое рассмотрение необходимо, так как от изменчивости вывалов в значительной мере зависит эффективность работы всего очистного забоя.

Познание природы вывалов и их формирования должно привести к разработке путей управления устойчивостью кровли и уточнению параметров и области применения существующих способов повышения устойчивости кровли в очистных забоях.

В связи с этим целью диссертационной работы является установление зависимостей устойчивости пород кровли и ее изменчивости с учетом вывалов для обоснования способов предотвращения вывалов, обеспечивающих эффективную работу очистных забоев.

Изложенное выше определило задачи исследований: разработка метода исследования вывалов пород кровли в очистном забое;

проведение шахтных инструментальных наблюдений за периодическим характером проявлений горного давления и вывалами пород кровли в очистных забоях;

установление влияния отдельных слоев кровли па устойчивость и вывалы пород кровли;

установление изменения вывалов пород по длине очистного забоя;

установление механизма формирования вывалов кровли; разработка рекомендаций но повышению устойчивости кровли в очистных забоях.

Для решения поставленных задач в работе использованы: анализ научных исследований, шахтные инструментальные наблюдения за смещениями кровли, измерение объемов вывалов, методы математической статистики и гармонического анализа для обработки результатов наблюдений.

В качестве объектов исследований былл выбраны очистные забои шахты им. В. М. Бажанова ПО «Макеевуголь», отрабатывающие угольный пласт т3 в уклонной части шахтного поля на глубине около 1100 м.

'В кровле пласта залегает глинисты» сланец мощностью 6,45—12,40 м. Над ним залегают перемежающиеся слои песчаных сланцев мощностью 3,60—6,10 м, глинистых сланцев мощностью 2,80—11,00 м и известняка мощностью 0,4 м.

Шахтные инструментальные наблюдения проводились в очистный забоях, оборудованных механизированными комплексами КМ-87УМН и КМТ, работавших по простиранию угольного пласта по комбинированной системе разработки. За время проведения исследований подвигание очистных забоев составило 47—130 м.

Обработка результатов выполненных исследовании осу-* ществлялась по методике МГИ с применением методов математической статистики и гармонического анализа.

Основной задачей исследований являлось установление основных причин формирования вывалов пород кровли во взаимосвязи с периодическим характером проявлений горного давления. Для этого шахтные инструментальные наблюдения проводились в 5 сечениях по длине очистных забоев. Они заключались в измерении величин опусканий кровли и объема вывалов в каждом ил сечений. Замеры осуществлялись ежедневно.

Наблюдения в Центральной разгрузочной лаве гор. 1100 м, оборудованной механизированным комплексом КМ-87УМН, показали значительную изменчивость объема вывалов кровли на каждом из замерных участков при подвиганин очистного забоя. Коэффициент вариации объема вывалов на каждом из замерных участков превышает 100%. Вне зоны влияния геологического нарушения средний объем вывалов изме- . нялся от 0,069 до 0,384 м3, а максимальный — от 0,5 до 1,2 м3. Наименьшие значения среднего (0,069 м3) и максимального (0,5 м3) объема вывалов отмечены на расстоянии 28 м от массива горных пород. Наибольшие значения среднего (0,280 и 0,384 м3) и максимального (1,2 м3) объема вывалов отмечены в середине'очистного забоя и в 22 м от выработанного пространства ранее отработанного выемочного столба.

Результаты исследований во 2-й восточной лаве гор. 1100 м, оборудованной механизированным комплексом КМТ, также показали значительную изменчивость объема вывалов при подвигании очистного забоя. Средний объем вывалов изменялся от 0,120 до 0,196 м3, а максимальный — от 0,8 до 1,6 м3. Наименьшее значение среднего объема вывалов (0,120—0,137 м3) отмечено в примыкающей к выработанному пространству половине 2-й восточной лавы. Наибольшие значения среднего объема вывалов (0,196 и 0,154 м3) установлены на расстоянии 25 и 75 м от массива горных пород. Максимальные вывалы (1,6 м3) отмечены в 25 и 175 м от массн-' ва. Наименьшие значения максимального объема вывалов

(0,8 п 0,9 м3) установлены на расстоянии 75 и 225 м от массива горных пород. Коэффициент вариации объема вывалов кровли превышает 100%.

Наблюдения, проведенные в 1-й центральной лаве, оборудованной механизированным комплексом КМ-87УМН, подтвердили значительную изменчивость объема вывалов кровли на каждом из замерных участков. Средний объем вывалов изменяется от 0 до 1,910, м3, а максимальный — от О.до 3,1 м3. Следует отметить, что на расстоянии 46 м от массива, вывалы кровли не установлены. Наибольшие значения среднего (1,910 и 1,650 м3) н максимального объема вывалов (3,1 и 3,0 м3) установлены в середине 1-й центральной лавы и на расстоянии 169 м от массива горных пород. Коэффициент вариации объема вывалов изменяется от 0 до 66,1%. Он минимален вблизи массива горных пород. С удалением от него коэффициент вариации увеличивается, достигая максимума (66,1%) на расстоянии 169 м от массива горных пород.

Анализ результатов исследований показал значительную изменчивость объема вывалов кровли как при подвиганин" очистных забоев, отрабатывающих угольный пласт тз, так и по их длине. В очистных забоях, оборудованных' механизированным комплексом КМ-87УМН, вывалы минимальны на расстоянии 28—46 м от массива горных пород. С удалением по длине лавы от массива они увеличиваются. При подвиганин очистных забоев на каждом из замерных участков объем вывалов кровли изменяется от минимума до максимума. При этом существуют участки, на которых вывалы кровли не происходят.

• Результаты исследований опусканий кровли в Центральной разгрузочной лаве показали их значительную изменчивость как при подвиганин очистного забоя, так и по его длине. Средняя величина опусканий изменяется от 1,84 до 9,70 мм, максимальная — от 7 до 33,7 мм. Наименьшие значения опусканий кровли отмечены в 28 м от массива горных пород. Наибольшие значения среднего п максимального опускания отмечены вблизи выработанного пространства ранее отработанного выемочного столба. Коэффициент вариации опусканий кровли изменяется от 57,4 до 78,0%.

Во 2-й восточной лаве средняя величина опусканий кровли изменяется от 2,45 до 5,09 мм, а максимальная — от 7,0 до 15,5 мм. Наибольшее значение среднего опускания отмечено в 25 м от массива горных пород. С удалением от массива среднне опускания кровли по длине очистного забоя уменьшаются. Наибольшее значение максимального опускания отмечено на расстоянии 25, 75 и 225 м от мае- -сива горных пород. Коэффициент вариации опусканий изменяется от 46,3% в середине 2-й восточной лавы до 85,7% па расстоянии 225 м от'масспва.

В 1-й центральном лаве средние и максимальные опускания кровли по длине очистного забоя практически не изменяются. Они равны соответственно 5,93—6,85 и 12,3—14,0мм. Коэффициент вариации опусканий кровли изменяется от 28,5 до 50,9%. Минимальное значение коэффициента вариации отмечено на расстоянии 46 м от массива горных пород, а максимальное — в середине очистного забоя.

Анализ результатов исследований за вывалами и опу- . еканиями кровли показал их значительную изменчивость при подвигании очистных забоев, что подтверждается значениями коэффициентов вариации. Причиной этой изменчивости : является периодическое изменение напряженно-деформированного состояния призабойной части массива горных пород под воздействием динамической составляющей опорного , давления. На ее долю приходится более 80% вывалов кров- . ли и более 75,6% опусканий кровли. Следовательно, опуска-. ния и вывалы пород кровли в рабочем пространстве очистных забоев являются следствием одного и того же процесса,. протекающего в массиве горных пород при подвигании очистного забоя и управлении кровлей полным обрушением. Он заключается в периодическом изменении напряжений в при-забойной части массива и вызван периодическим изменением от минимума до максимума размеров зависающих консолей слоев непосредственной и основной кровлн.

Результаты исследований позволяют заключить, что максимальные вывалы происходят при максимальных или близких к ним опусканиях кровли. А причиной изменчивости как опусканий, так и вывалов кровли по длине очистных забоев является изменение напряженно-деформированного состояния массива.

Обработка результатов исследований с применением гармонического анализа позволила установить параметры аналитических зависимостей вывалов и опусканий кровли в очистных забоях.

В Центральной разгрузочной лаве гор. 1100 м динамическую составляющую опорного давления формируют 4 слоя кровли, обрушающиеся с шагом, м: 6,3—9,4; 12,0—17,5; 23,7—35,0; 32,7—76,4. ••

На долю 1-го слоя приходится 11,5—21,1 % опусканий кровли.

Периоды изменения объема вывалов кровли практически совпадают с шагами обрушения слоев кровли, формирующих -динамическую составляющую опорного давления. Это подтверждает вывод о том, что все проявления горного давления в очистном забое имеют единую природу.

На долю 1-го обрушающегося слоя приходится ; 9,8-*-21,6% вывалов кровли. Под влиянием 2, 3 и 4-го слоев происходит 9,1—34,4%, 12,2—46,0% и 14,3—81,2% выва-

лов кровли. На долю слоя, представлйющего непосредственную кровлю, приходится 9,8—21,6% вывалов. От 33,4% до практически всех вывалов кровли в центральной разгрузочной лаве происходит под влиянием слоев, представляющих основную кровлю.

Во 2-й восточной лаве гор. 1100 м динамическую составляющую опорного давления формируют слон пород кровли, обрушающиеся с шагом, м: 6,2—9,1; 10,8—14,3; 19,3—38,1; 35,9—63,7.

Под влиянием непосредственой кровли происходит 8,3—12,7% опусканий кровли. На долю слоев, обрушающих-ся с шагом более 10 м и представляющих основную кровлю, приходится 42,6—83,3% опусканий кровли. Наиболее значимыми являются слои, обрушающиеся с шагом 19,3—38,1 м и 35,9—63,7 м. На их долю приходится соответственно 12,0—31,3% и 18,1—32,5% опусканий кровли.

Периоды изменения объема вывалов практически совпадают с шагами обрушения слоев непосредственной н основной кровли. На долю 1-го слоя, представляющего непосредственную кровлю, приходится 6,7—15,9% вывалов. Под влиянием 2, 3 и 4-го обрушающихся слоев происходит 12,4—20,5%, 19,4—30,1% и до 24,0% вывалов соответственно. На долю слоев, представляющих основную кровлю, приходится от 30,1 до 60,6% вывалов.

В 1-й центральной лаве динамическую составляющую опорного давления формируют слои, обрушающиеся с шагом м: 3,8—4,9 м; 6,3—8,3; 11,5—16,2; 38,7—47,0. На долю 1-го слоя приходится 9,9—14,2% опусканий кровли, на долю 2, 3 и 4-го соответственно 10,7—31,4%, 17,8—32,2% и 27,8—38,5% опусканий. Под влиянием этих же слоев происходит до 6,8%, до 14,1%, до 30,8% и до 96,8% вывалов кровли.

На долю слоев, представляющих непосредственную кровлю, приходится до 14,8% вывалов. Под влиянием слоев основной кровли происходит более 30,8% вывалов.

Таким образом, с помощью гармонического анализа установлен периодический характер изменения объема вывалов при подвигании очистных забоев. Периоды изменения объема вывалов кровли в основном совпадают с шагами обрушения слоев кровли. Это свидетельствует о том, что при управлении кровлей полным обрушением формирование вывалов происходит под влиянием динамической составляющей опорного давления.

В результате проведенных исследований установлено, что в условиях пласта устойчивость кровли изменяется в основном под влиянием слоев основной кровли, на долю которой приходится более 30% вывалов и 22—100% опусканий кровли.

Периодичность геомеханнческих процессов, протекающих в массиве горных пород, позволяет следующим образом представить механизм формирования вывалов кровли в очистном забое. При зависании консоли основной кровли в заделке напряжения изменяются в соответствии с «волной Ве-бера». После обрушения пород основной кровли размеры зависающих консолей минимальны. В этом случае н амплитуда волны вблизи очистного забоя минимальна, а на расстоянии I от забоя напряжения становятся равными уН. При этом впереди очистного забоя существуют участки, где на горные породы воздействуют только сжимающие и только растягивающие напряжения. Подвиганне очистного забоя приводит к увеличению размеров консоли. Следствием этого является увеличение амплитуды волны рблнзи очистного забоя и размера зоны динамической составляющей опорного давления впереди него. Впереди очистного забоя на одних и тех же участках возможно поочередное воздействие на горные породы то «сжимающих», то «растягивающих» напряжений. Таким образом, массив горных пород подвергается периодическому воздействию знакопеременных напряжений. Этот процесс носит периодический характер.

Если разность сжимающих и растягивающих напряжений превышает предельные значения, то порода может быть разрушена в объемном напряженном состоянии. Это наиболее вероятно в местах заделки при максимальных размерах основной кровли.

В связи с этим в пределах выемочного столба при движении очистного забоя и управлении кровлей полным обрушением на фиксированных участках могут возникать зоны разрушения пород непосредственной кровли. В указанных зонах разрушения при приближении очистного забоя породы подвергаются воздействию напряжений, вызванных прогибом пород кровли непосредственно в забое, что интенсифицирует процессы образования вывалов.

Анализ результатов исследований показал, что устойчивость кровли значительно изменяется по длине очистного забоя. Причиной этого является изменчивость напряженно-деформированного состояния массива горных пород. При применении механизированного комплекса КМ-87УМН максимальная устойчивость кровли отмечена вблизи массива горных пород. С удалением от него она уменьшалась, так как увеличивались амплитуды вывалов и опусканий под влиянием обрушающихся слоев. В зоне влияния выработанного пространства ранее отработанного выемочного столба породы непосредственной кровли испытывают повторное воздействие опорного давления. Поэтому здесь устойчивость кровли минимальна.

- ' Общеизвестно, что устойчивость кровли в очистном забое зависит от сопротивления механизированной крепи. Исследования, проведенные в Центральной разгрузочной лаве гор. 1100 м и во 2-й восточной лаве гор. 1100 м, работавших «в створе» па одной глубине и оборудованных механизированными комплексами КМ-87УМН и КМТ, позволяют установить влияние сопротивления крепи па устойчивость кровли '■ в условиях, пласта Шз.

" „ Анализ результатов исследований показал, что увеличе-.,иие.,соцрйт.ивления механизированной крепи в 2,5 раза увеличило объемы вывалов кровли вблизи массива горных ио-, род .в среднем в 1,6—2,8 раза и уменьшило их в середине очистного забоя в 2,2—4,3 раза. Вблизи выработанного пространства ранее отработанного выемочного столба увеличение сопротивления крепи приводит как к увеличению, так и уменьшению среднего объема вывалов.

Анализ параметров аналитических зависимостей показал, ; что при увеличении сопротивления крепи в примыкающей к .массиву горных пород части очистного забоя увеличиваются амплитуды изменения объема вывалов под влиянием. 1.-го и.3-го обрушающихся слоев в 2,4—2,9 раза. При этом влияние 2-го и 4-го обрушающихся слоев на вывалы исключилось. В середине очистного забоя при увеличении сопротивления крепи в 2,5 раза амплитуды изменения объема вывалов уменьшаются в 1,9—4,0 раза. Вблизи вырабатанного пространства ранее отработанного выемочного столба при увеличении сопротивления крени амплитуды изменения объема вывалов под влиянием 1-го и 3-го обрушающихся слоев уменьшаются в 2,2 раза при практически неизменной амплитуде изменения объема вывалов под влиянием 2-го слоя. Это приводит к уменьшению среднего объема вывалов в 3,8 раза. Здесь значительное влияние па объемы вывалов оказывает число значимых обрушающихся слоев. Его увеличение приводит к увеличению среднего объема вывалов при '.применении механизированной крени большего сонротнв-• лепим.

Анализ результатов выполненных исследований показал, что в условиях пласта ш3 изменением сопротивления креип можно изменить влияние на вывалы слоев основной кровли. Особенно это заметно вблизи выработанного пространства ранее отработанного выемочного столба. Так, увеличение сопротивления крепи в 2,5 раза уменьшило вклад основной кровли в вывалы в 1,8—3,3 раза. При этом в середине очистного забоя доля основной кровли в вывалах увеличилась с 36,6—40,5 до 60,5%, т. е. в 1,5—1,6 раза, а вблизи массива горных пород он же уменьшился с 80,9 до 30,1%, т. е. в 2,7 раза.

Проведенный анализ показал/ что одним из способов повышения устойчивости кровли в рабочем пространстве очистных забоев в условиях пласта т3 является изменение сопротивления механизированной крени. "

Прогнозирование вывалов кровли по длине'выемочного столба является важной задачей, направленной на повышение эффективности применения способов повышения устойчивости кровли в очистных забоях. Установленные в результате проведенных исследований аналитические зависимости, учитывающие периодический характер проявлении горного давления, их обобщение методами математической статистики позволяют прогнозировать участки со значительными вывалами по длине выемочного столба. Именно на эгнх участках необходимо осуществлять мероприятия по повышению устойчивости кровли. Результаты прогноза показывают, что работы по повышению устойчивости кровли необходимо проводить на участках длиной от 4 до 19 м через 21—27м. Длина участка и расстояние между ними изменяются по длине очистного забоя. Это, связано с: изменчивостью шагов обрушения слоев кровли.

Проведенные исследования позволяют рекомендовать для условий пласта тъ два пути повышения устойчивости кровли. Первый из них — химическое упрочнение — широко известен. Его необходимо осуществлять на участках с прогнозируемыми максимальными вывалами кровли.

Второй путь — управление напряженно-деформированным состоянием массива впереди очистного забоя. Одним из его способов является создание искусственных опор для обруша-ющпхся слоев в выработанном пространстве вслед за нодви-гапием очистного забоя. Они позволяют значительно уменьшить или полностью исключить влияние отдельных слоев на устойчивость кровли.

Выкладка в выработанном пространстве 2-бутовых полос на расстоянии не более 50 м от возводимых для охраны подготовительных выработок бутовых полос приведет к уменьшению объемов вывалов кровли на 24—58 % в середине-очистного забоя и на 45—97% в примыкающей к выработанному пространству ранее отработанного выемочного столба части очистного забоя.

Разработанные рекомендации приняты к внедрению на шахте им. В. М. Бажанова ПО «Макеевуголь» при отработке 3-й восточной лавы гор. 1100 м.

Ожидаемый экономический эффект составляет 1110,35 тыс. руб. в ценах ноября 1992 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной для угольной промышленности научной задачи установления зависимостей изменения объема вывалов кровли в рабочем пространстве очистного забоя и механизма формирования вывалов для обоснования способов повышения устойчивости кровли при периодическом изменении горного давления.

Основные научные выводы и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Установлен периодический характер изменения объема вывалов кровли в очистных забоях. Он вызван периодическим изменением напряженно-деформированного состояния массива горных пород при периодическом формировании, зависании и обрушении в выработанное пространство консолей слоев непосредственной и основной кровли. Шаги изменения объема вывалов кровли при подвиганин очистного забоя совпадают с шагами обрушения слоев пород кровли. В условиях пласта пц они изменяются от 4—5 до 60—70 м.

2. Установлена изменчивость объема вывалов кровли по длине очистного забоя. В различных сечениях очистного забоя средний объем вывалов вне зоны геологического нарушения изменяется в 1,16—5,57 раза. Причиной изменения объема вывалов является изменение напряженно-деформированного состояния массива горных пород по длине очистного забоя.

3. Установлено, что значительное влияние на устойчивость кровли в очистном забое оказывает динамическая составляющая опорного давления. На ее долю приходится более 80% вывалов. Доля основной кровли В вывалах изменяется от 30 до 100%.

4. Установлено, что в условиях пласта ш3 формирование динамической составляющей опорного давления является следствием влияния в основном трех слоев пород кровли с шагами обрушения 11 —17, 20—30 и свыше 50 м.

5. Показано, что максимальное влияние на формирование вывалов и их интенсивность оказывает слой с шагом обрушения более 50 м. На его долю приходится более 40% всего объема вывалов.

6. Установлено, что в условиях пласта т3 увеличение сопротивления крепи в 2,5 раза приводит к уменьшению объема вывалов в середине очистного забоя в среднем в 2,2—4,3 раза.

7. Показано, что при периодическом изменении горного давления на глубоких шахтах формирование вывалов кровли начинается в массиве пород впереди очистного забоя н

связано с явлением зональной дезинтеграции горных пород и угольного пласта.

8. Получены аналитические зависимости изменения объема вывалов кровли при подвнганни очистного забоя, позволяющие прогнозировать участки с неустойчивой кровлей по длине выемочного столба.

9. Показано, что основным направлением повышения устойчивости кровли в очистном забое является управление слоями, обрушающимися с шагами более 20 м путем возведения в выработанном пространстве одной или нескольких бутовых полос.

10. Ожидаемый экономический эффект от внедрения рекомендаций по повышению устойчивости кровли в условиях пласта т3 шахты им. В. М. Бажанова ПО «Макеевуголь» составляет 1110,35 тыс. руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Грядущий Ю. Б. Изменчивость вывалов пород кровли по длине очистного забоя в условиях пласта т3 шахты им. В. М. Бажанова//Проблемы экологически чистой автоматизированной шахты глубокого заложения.— М., МГИ, 1991. С. 51—53.

2. Чехместренко Н. В., Грядущий Ю. Б. Изменчивость опусканий кровли по длине очистных забоев на шахте им. В. - М. Бажанова//Уголь Украины.—1991.—№ 12. С. 11 — 13.

3. Черняк И. Л., Чехместренко Н. В., Грядущий Ю. Б.

Влияние сопротивления крепи на устойчивость кровли угольного пласта в очистном забое//Горный журнал (Известия высших учебных заведений).—1992.—№ 1.— С. 22—26.

4. Периодические проявления горного давления при раз- -работке угольных месторождений/И. Л. Черняк, Н. В. Чехместренко, 10. Б. Грядущий и др.—М., МГИ, 1992, с. 32—35.

Подписано в печать 26.02.1993 г.

Объем 1 печ. л. Тираж 100 экз.

Формат 60Х90/16 Заказ № 116

Типография Московского горного института. Ленинский проспект, д. 6