автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Повышение устойчивости интенсивно деформирующихся подготовительных выработок глубоких шахт

«Я О -М Ч 9-

Министерство науки, высшей школы и технической политики Российской Федерации

Московский ордена Трудового Красного Знамени горный институт

На правах рукописи

МОРОЗОВ Александр Федорович

УДК 622.83:622.13:622.281

ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ИНТЕНСИВНО ДЕФОРМИРУЮЩИХСЯ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК ГЛУБОКИХ ШАХТ

Специальность 05.15.02 — «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1992

Работа выполнена в Донецком физико-техническом институте АН Украины.

член-корр. АГН, проф., докт. техн. наук АЛЕКСЕЕВ А. Д.

Ведущее предприятие — институт «Центргипрошахт».

в ас. на заседании специализированного совета

Д-053.12.02 при Московском ордена Трудового Красного Знамени горном институте по адресу: 117935,, ГСП, Москва, В<49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Нау-чный консультант

Официальные оппоненты: проф., докт. техн. наук ВАСЮЧКОВ Ю. Ф., проф., докт. техн. наук КОВАЛЬЧУК А. Б., проф., докт. техн. наук БАТМАНОВ Ю. К.

Защита диссертации состоится

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета

проф., докт. техн. наук КУЗНЕЦОВ Ю. Н.

" .V -'Ч ' л.-'-ГОРУ/;,.: --бЙВЛЙОТЕКА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. При подземной разработке угольных месторождений проблема устойчивости подготовительных выработок на глубоких горизонтах (свыше 700...800 м) находится среди ключевых проблем обеспечения безопасной и эффективной работы шахт. Это связано с изменением характера и механизма проявлений горного давления, которое наблюдается с увеличением глубины разработки и ухудшением горно-геологических условий залегания пластов, что приводит к незатухающим и неравномерным смещениям вмещающих выработки горных пород. Для восстановления проектного сечения выработок необходимы их ремонт и перекрепление. Эти работы повышенной опасности приходится выполнять вручную из-за сложности их механизации. Например, по Донбассу средняя трудоемкость поддержания выработок на 1000 т добываемого угля за последние 10 лет возросла в 1,6 раза и превысила 70 чел.-смен.

Выполненные в СНГ и за рубежом научно-исследовательские и опытно-промышленные работы по решению вопросов безремонтного поддержания подготовительных выработок показали возможность обеспечения устойчивости их путем совершенствования конструкций крепей, способов проведения, охраны и расположения выработок относительно границ очистных работ. Однако следует отметить, что имеющиеся разработки и рекомендации не всегда обеспечивают правильный выбор мероприятий и принятие обоснованных проектных решений, которые даже при полной их реализации в шахтных условиях не дают должных результатов прежде всего из-за несоответствия используемых в них закономерностей проявлений горного давления реальным геомеханическим процессам.

Таким образом, проблема обеспечения устойчивости интенсивно деформирующихся подготовительных выработок глубоких шахт объективно может быть признана актуальной.

Цель работы — формирование теоретической базы научного обоснования технологических решений по повышению устойчивости интенсивно деформирующихся подготовительных

выработок глубоких шахт, обеспечивающих эффективную и безопасную разработку пологих угольных пластов.

Идея работы заключается в использовании для обоснования мер профилактики и локализации вредных проявлений горного давления установленных закономерностей дезинтеграции массива горных пород вокруг подготовительных выработок.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод, включающий анализ и обобщение данных литературных источников по исследованиям проявлений горного давления в подготовительных выработках на больших глубинах, шахтные инструментальные исследования процессов деформирования и сдвижения горных пород с помощью контурных и глубинных реперов, лабораторные испытания физико-механических свойств горных пород, опытно-промышленные испытания предложенных способов профилактики вредных проявлений горного давления, а также аналитический и аналитико-экспериментальный методы, методы теории вероятностей" и математической статистики.

Основные научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:

1. Интенсивное деформирование подготовительных выработок с неравномерными по контуру сдвижениями пород со стороны кровли, стенок и почвы объясняется происходящим в горном массиве изменением местоположения чередующихся зон дополнительного расширения и сжатия пород, названным флуктуациями зональной дезинтеграции вмещающих пород. Физическая природа флуктуаций состоит в возникновении и движении автоволн разрушений пород как па границе области неупругих деформаций, так и внутри неразрушенных слоев и блоков, расположенных вблизи контура выработок. Процесс автоволнового разрушения пород заключается в периодическом сращивании тупиковых трещин, находящихся в равновесии, под воздействием зон влияния прорастающих трещин.

2. Особенности механизма формирования зон разрушения пород вокруг выработок на глубоких горизонтах выражаются в первоначальном появлении крупных трещин, пересекающих практически всю область влияния выработки на массив и разделяющих эту область на отдельные слои пород в кровле и почве и крупные блоки в стенках выработки.

Распространение крупных трещин влечет за собой изменение первоначальной картины напряжений и закладывает основу для возникновения флуктуаций — периодического изменения местоположения чередующихся зон дополнительного расширения и сжатия пород.

3. Учет постоянного взаимодействия внутренней системы крепь — окружающие породы и внешней породы внутри свода

сдвижений — окружающий массив базируется на положении о том, что наряду с динамикой вертикальной составляющей опорного давления существует динамика горизонтальной составляющей давления, в которой выделяются периодические и циклические изменения всех параметров (характера распределения, интенсивности, экстремумов размеров зон влияния, места расположения максимума горизонтального сжатия пород).

4. Предложенные аналитико-эксиериментальная модель и методика прогнозирования устойчивости интенсивно деформируемых выработок позволяют:

оценить уровень устойчивости любой подготовительной выработки действующей шахты;

выявить необходимость и определить оптимальный период времени применения технологических мероприятий по повышению устойчивости подготовительных выработок;

выбрать вид технически осуществимого, экономически выгодного и технологически приемлемого профилактического мероприятия.

5. Технические и планировочные решения могут быть сведены в 5 групп, для каждой из которых объединяющим является конкретное толкование геомеханических процессов в пределах внутренней системы и ее взаимодействия с внешней. Решения отличаются универсальностью применения адаптивных профилактических мероприятий для повышения устойчивости подготовительных выработок.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

достаточным объемом и комплексностью экспериментальных исследований в типовых условиях глубоких шахт смещений контура подготовительных выработок, деформаций пород в приконтурной зоне массива; обоснованным числом лабораторных испытаний образцов пород, конструкций крепей;

физическим обоснованием аналитико-экспериментальных 'зависимостей, расчетных схем, использованием строгого математического аппарата аналитических методов, теории вероятностей, математической статистики, теории структур, устойчивости и флуктуации;

положительными результатами опытного и промышленного внедрения технологических мероприятий по повышению устойчивости интенсивно деформирующихся выработок на шахтах ПО «Макеевуголь», «Добропольеуголь», «Шахтерск-уголь».

Научное значение работы заключается в формировании теоретической базы для обоснования способов, технических и планировочных решений профилактики вредных проявлений горного давления и повышения устойчивости интенсивно де-

формирующихся подготовительных выработок глубоких шахт, отрабатывающих запасы пологих угольных пластов.

Практическое значение работы заключается:

в разработке способов и адаптивных технологий повышения устойчивости интенсивно деформируемых подготовительных выработок;

в проверке и внедрении разработанных способов и технологий на шахтах Донбасса.

Новизна способов охраны подготовительных выработок защищена 24 авторскими свидетельствами на изобретения.

Реализация выводов и рекомендаций работы осуществляется при выборе к обосновании параметров профилактических мероприятий по предотвращению вредных проявлений горного давления в подготовительных выработках как вне зон, так и в зонах влияния очистных работ.

Рекомендации по повышению устойчивости интенсивно деформируемых выработок, содержащие способы по авторским свидетельствам № 887812, 1008459, 1182172, 1239458, прошли опытно-промышленную проверку и внедрены на шахтах «Красногвардейская», «Чайкино», им. К. И. Поченкова, им. А. Б. Батова, им. В. М. Бажанова ПО «Макеевуголь», шахте «Белозерская» ПО «Добропольеуголь».

Суммарный фактический экономический эффект от использования на 6 шахтах 4 изобретений в течение 10 лет (1981 — 1990 гг.) равен 1230 тыс. руб., при этом доля автора составляет свыше 0,5 млн. руб.

Результаты исследований использованы в отраслевых нормативных документах, а также при принятии проектных решений по шахте им. Челюскинцев ПО «Донецкуголь», по шахтоуправлению им. 1 Мая ПО «Шахтерскуголь».

Апробация работы

Основные положения диссертации были включены в виде докладов, обсуждались и получили одобрение на УП Всесоюзной научной конференции по комплексным исследованиям физических свойств пород и процессов (Москва, 1981); II Всесоюзной научной конференции по проблемам механики подземных сооружений (Тула, 1982); на Всесоюзных семинарах по исследованию горного давления и охране капитальных и подготовительных выработок (Якутск, 1982; Кемерово, 1986); на Всесоюзном научно-техническом совещании «Пути улучшения состояния горных выработок» (Донецк, 1989); на технических советах ПО «Макеевуголь» (Макеевка, 1985); ПО «Добропольеуголь» (Доброполье, 1987); научном семинаре кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых»' Донецкого политехнического института (Донецк, 1987, 1990); на Международном конгрессе по горному делу в Австралии (Воллонгонг, 1991); на научном семинаре от-

дела физики горных пород Донецкого физико-технического института Академии наук Украины (Донецк, 1992).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 50 научных работах, в том числе 24 авторских свидетельствах на изобретения.

. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, содержит 52 рисунка, 18 таблиц, список литературы из 110 наименовании и 6 приложений. Она изложена на 352 страницах машинописного текста.

Автор выражает глубокую благодарность чл.-кор. ИАН, проф., докт. техн. наук М. П. Зборщику за руководство при выполнении научно-исследовательских работ, а также чл.-кор. АГН, проф., докт. техн. наук А. Д. Алексееву за консультативную помощь и советы при написании и теоретическом осмыслении материалов диссертации, сотрудникам ДПИ и инженерно-техническим работникам объединений и шахт за оказанную помощь в проведении шахтных наблюдений и внедрении результатов работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Благодаря известным исследователям устойчивости подземных сооружений достигнуты серьезные успехи в раскрытии физической природы проявлений горного давления в подготовительных выработках глубоких шахт, разрабатывающих пологие угольные пласты. Работы К. А. Ардашева, А. Д. Алексеева, Н. П. Бажина, Ю. К. Батманова, А. А. Борисова, Н. С. Булычева, А. С. Бурчакова, Ю. Ф. Васючкова, Ю. А. Векслера, Ю. 3. Заславского, М. П. Зборщика, А. Н. Зорина, А. Б. Ковальчука, С. Т. Кузнецова, Г. А. Крупенникова, С. М. Липковича, А. Г. Протосени, К. В. Руппенейта, В. Д. Слесарева, В. Ф. Трумбачева, И. Л. Черняка, Е. И. Шемякина и др. являются основополагающими в воздании целого ряда теорий горного давления.

Очистные и подготовительные работы, например, в Донбассе, достигли сейчас таких глубин, где наблюдается интенсивное деформирование подготовительных выработок. В таких условиях на первый план выступает проблема эффективной профилактики вредных проявлений горного давления на основе применения адаптивных технологических схем вместо трудоемкой и опасной ликвидации последствий — перекрепления протяженных участков выработок, подрывки пород почвы и др.

Вместе с тем, известные теории горного давления, методики, рекомендации для еще неосвоенных горнотехнических и горно-геологических условий разработки угольных пластов дают противоречивые результаты, часто не подтверждаемые

экспериментальными данными. В связи с этим возникла необходимость решить следующие задачи:

1. Теоретическое обобщение и анализ результатов новейших исследований устойчивости подготовительных выработок.

2. Выявление и обоснование на базе шахтных экспериментов особенностей механизма формирования и поведения зон разрушения пород вокруг подготовительных выработок.

3. Проведение лабораторного и опытно-промышленного обоснования принципов взаимодействия податливых крепей с вмещающими деформирующимися породами и разработка конструктивных решений по совершенствованию существующих технологий крепления выработок податливыми крепями.

4. Разработка научно-производственной методики определения уровня устойчивости интенсивно деформирующихся подготовительных выработок.

5. Разработка и обоснование параметров способов, технических и планировочных решений повышения устойчивости выработок путем профилактики вредных проявлений горного давления.

6. Проведение опытно-промышленной проверки, внедрение отдельных способов, планировочных решений и обеспечение снижения затрат на поддержание подготовительных выработок.

Методически проблема повышения устойчивости выработок содержит два принципиальных вопроса: 1. Где в технологической схеме действующей шахты, ее отдельных звеньях нужно повышать устойчивость сейчас, чтобы не'допустить их разрушения до окончания срока службы? 2. Когда и каким образом технически осуществимо и экономически выгодно повышать устойчивость выработок?

Существует, по крайней мере, два противоположных ответа на эти вопросы. Первый состоит в том, что проектировать выработку нужно устойчивой для изначального ее проведения и крепления с надежным запасом, обеспечивающим нормальную безремонтную ее эксплуатацию весь срок службы. В этом случае повышение устойчивости выработки не имеет смысла. Второй — проектировать выработку можно исходя из возможного допущения нарушения устойчивости выработки на определенных участках из-за неоднородности породного массива по длине выработки. При этом приемлемы и во многих случаях экономически целесообразны перекрепление выработки и подрывка пород почвы. Повышение устойчивости достигается «реанимативным» путем, т. е. за счет ремонта.

В работе принята новая концепция — обеспечивать устойчивость выработки поэтапно, периодически контролируя устойчивость выработки в течение ее срока службы и, при не-

обходимости, заблаговременно повышать устойчивость выра.-боток, не допуская ремонтных работ пли сводя их к минимальным объемам.

Каждая из известных гипотез справедлива и по-своему близко описывает проявления горного давления в определенном диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий. На этапе прогнозирования проявлений горного давления н проектирования протяженных выработок па основе наиболее приемлемой гипотезы обосновывается расчетная схема и с использованием хорошо развитых методов механики деформированных твердых тел (сплошной, сыпучей и др. сред), численных методов находится решение, удовлетворяющее граничным условиям задачи — как правило, определяются компоненты шарового тензора и девиатора напряжений, деформаций, смещения контура выработки, нагрузка на крепь.

Существуют многочисленные результаты исследований МГИ, ЛГИ, ВНИМИ, ДонУГИ, ИГД им. А. А. Скочинского и других институтов, в которых наилучшим образом описаны отдельные или группы случаев проявлений горного давления, представляющие собой объяснения пучения почвы выработок, боковых смещений, прогиба и разрушения кровель. Однако наиболее крупный шаг в познании неравновесных нелинейных явлений в общей природе деформирования и разрушения вмещающих выработки пород сделан научным коллективом под руководством академика Е. И. Шемякина. Им по существу описано новое явление разрушения пород в нескольких концентрически охватывающих контур выработки зонах, разделенных зонами неразрушенных пород. Однако при теоретическом осмыслении этого явления было привлечено давно известное и существенно идеализированное представление о гладком симметричном распределении напряжений во вмещающих выработку породах, незаслуженно не принято во внимание действие факторов естественной иару-шенности и структурно-неоднородного строения горного массива.

Прн решении второй задачи была использована рабочая схема-гипотеза взаимодействия малой (внутренней) и большой (внешней) систем, предложенная чл.-кор. АИН М. П. Зборщнком. Поведение системы, состоящей из сравнительно небольшого числа макрочастей, можно описывать чисто механически, т. е. найти координаты и энергию частей в любой последующий момент времени и тем самым полностью определить состояние системы. Для оценки состояния системы справедлива эргодическая гипотеза, когда средние во времени значения физических величин, характеризующих систему; равны их средним статистическим значениям.

Устойчивость выработки прежде всего предопределяется состоянием внутренней системы, ее составляющих частей: по-

род в пределах области влияния выработки на массив и крепи выработки, а также характером их взаимодействия.

С использованием результатов исследований О. Ю. Кузьмича, И. Л. Черняка и Е. И. Шемякина основные положения рабочей схемы-гипотезы сформулированы в работе так:

1. Область влияния выработки на массив горных пород образуется при протекании в породах двух различных по характеру, но взаимодополняющих друг друга во времени и пространстве процессов:

процесса первичного трещииообразования, который упорядочен по отношению к центру выработки, и протекает путем образования трещин по естественным (существование еще до проведения выработки) ослаблениям массива горных пород;

процесса вторичного трещииообразования, неупорядоченно возникающего по отноешнию к центру выработки, причем время и место его протекания в пределах области первичной трещиноватости предопределяются в основном слоистостью массива, свойствами пород и уровнем потенциальной энергии сжатия в пределах слоев и блоков пород.

Это значит, что при любом возмущении, возникающем в массиве от выработки при ее проведении, породы будут деформироваться в первую очередь по наиболее слабому месту, т. е. по естественному ослаблению. И только после исчерпания потенциальной возможности структурных изменений пород по естественным ослаблениям в пределах образующейся области влияния выработки на массив горных пород возможно протекание процессов разрушения по «телу» породы.

2. По характеру разрушение пород сходно с хрупким раз рушением твердых тел с преобладанием в начальной стадии роста разрыва в виде отрыва.

3. Основная часть больших сдвижений пород на контуре подготовительных выработок, примерно 80—90%, происходит за счет образования и раскрытия в зоне неупругих деформаций трещин разрушения горных пород. Под большими смещениями в работе понимаются такие смещения, величина которых превосходит конструктивные или технологические возможности крепи и выработки.

4. Следствием двухстадийности процесса разрушения является формирование в пределах области влияния выработки нескольких зон одинакового деформированного состояния пород, но на разном расстоянии от контура выработки. Конкретно — это существование нескольких чередующихся зон разрушения пород, названная академиком Е. И. Шемякиным «зональной дезинтеграцией вмещающих выработку пород».

Почему возможно возникновение зональности разрушения в осадочных горных породах? Прежде всего из-за формирования вслед за первичным трегцинообразованием благопри-

ятного фона, когда массив пород практически во всей области влияния выработки разделен трещинами на части. В каждой из этих частей (слоев, блоков) возникает относительно локализованное напряженно-деформированное состояние пород. Эта локализация с точки зрения начала процесса вторичного разрушения пород в пределах частей ставит их в равные условия разрушения независимо от того, находится ли слой или блок пород на контуре выработки, или он расположен в пределах зоны первичной трещиноватости на удалении от контура выработки. Именно поэтому в нескольких местах области влияния выработки на массив: на контуре, в глубине кровли, в глубине почвы, в стенках выработки возможно произрастание нескольких чередующихся зон разрушения пород и формирование их «зональной дезинтеграции».

Описанная рабочая схема-гипотеза, основанная на предшествующих экспериментальных исследованиях, была взята за основу при выполнении программы шахтных наблюдений в типовых горно-геологических условиях.

На основе анализа и обобщения экспериментальных данных замеров смещений по контурным реперам (свыше 5000 измерений) на шахтах им. Поченкова, им. Бажанова объединения «Макеевуголь», ш/у «Октябрьское», им. Засядько объединения «Донецкуголь» установлено, что в период интенсивных смещений контура выработок наблюдается значительное (до 20 раз) отклонение соотношений их скорости н горизонтальном и вертикальном направлении (рис. 1) от той стабильной величины, которая устанавливается при затухании деформаций вмещающих пород. Видно, что происходит случайное отклонение (флуктуации) соотношений скоростей.

Что же происходит с окружающими выработки породами в период интенсивных сдвижений пород на контуре выработок и какова причина указанных флуктуации соотношений скоростей?

На этот вопрос ответ дает анализ данных замеров деформаций пород по глубинным реперам. Было проведено свыше 2000 измерений на 12 наблюдательных станциях шахт им. Поченкова объединения «Макеевуголь», шахты им. Засядько, ш/у «Октябрьское» объединения «Донецкуголь», шахты «Шахтерская-Глубокая» объединения «Шахтерскантрацит», шахты «Белозерская» объединения «Добропольеуголь». На рис. 2 приведено распределение деформаций вокруг выработки (шахта им. Поченкова, пласт /Пз гор. 915 м). При этом отмечены области деформирования пород с разным знаком: сжатие и расширение (уплотнение и разрыхление) на 6-е, 30-е и 50-е сутки интенсивных сдвижений.

Выполненный нами комплекс шахтных инструментальных наблюдений подтвердил достоверность положений принятой, схемы-гипотезы механизма формирования зон разрушения

пород вокруг подготовительных выработок в период интенсивных сдвижений.

Экспериментально установлено, что в период интенсивных сдвижений контура выработки в области ее влияния на массив формируется зональное распределение дополнительных деформаций сжатия и расширения (уплотнения и разрыхления). Можно выделить несколько чередующихся друг с другом зон, охватывающих полость влияния выработки.

Интенсивные сдвижения контура выработки сопровождаются тем, что зоны пород с разным знаком дополнительного деформирования перемешаются в пределах области влияния выработки на массив как бы из глубины к контуру выработки, при этом изменяются как конфигурация, так и размеры зон.

Конфигурация зон имеет характер разорванных, незамкнутых колец, которые вплетаются друг в друга, но вместе с тем повторяют конфигурацию контура выработки.

Перемещение зон дополнительного сжатия и расширения (уплотнения и разрыхления) происходит в процессе общих интенсивных сдвижений пород в полость выработки и носи г характер случайных отклонений от предшествующих положений, названных в дальнейшем «флуктуациямн зональной дезинтеграции осадочных пород».

По периоду времени наблюдения флуктуаций зон в глубине массива совпадают с проявлениями флуктуаций соотношения скоростей горизонтальных и вертикальных сдвижений пород на контуре выработок. Это совпадение является не случайным и логично предположить, что неравномерное перетекание по породам со сменой друг друга зон дополнительных деформаций сжатия и расширения (уплотнения и разрыхления) достигает поверхности выработки и проявляется в неравномерном но контуру ц во времени распределении сдвижений пород (кровли, почвы, стенок).

Анализ наблюдений позволил нам предложить принцип неопределенности в геомеханике проявлений горного давления в интенсивно деформирующихся подготовительных выработках: «Невозможно указать сочетание, местоположение, форму и размеры зон различного деформирования пород в общей зоне влияния выработки на массив; на каждый прогнозируемый момент времени для конкретных условии можно указать лишь наиболее вероятное их сочетание, местоположение, форму и размеры».

Попытки количественно найти параметры зональной дезинтеграции осадочных пород к успеху не привели.

По данным замеров средние размеры областей влияния на массив интенсивно деформирующихся подготовительных выработок для пологих угольных пластов Донбасса, за-

Если критерии устойчивости реализуется,

I =

> 1,

Г

где Т — срок службы выработки, то выработка устойчива.

Если же 2<1, то выработка неустойчива и необходимы меры в соответствии с блок-схемой (рис. 4).

Блок-схема адаптивных и реанимативных мероприятий использована на шахтах им. Поченкова, им. Бажанова, «Чайки-но», «Красногвардейская», им. Батова объединения «Макеев-уголь». Анализ опыта эксплуатации выработок этих шахт, где применяли перекрепление и подрывку для восстановления рабочего состояния выработок и сравнения с данными, где использовали предварительный распор крепи при их проведении, установку в замки крепи резинокордовой прокладки, показал следующее.

Для выработок с большим показателем устойчивости >0,66) достаточно было всего в 1,5...2,0 раза снизить начальную скорость смещений пород и этим обеспечивалось их безремонтное поддержание. Вместе с тем, и для этих случаев при попытке обеспечить адаптивным путем устойчивость выработок (установка ремонтин, костров из деревянных шпал) непосредственно перед влиянием очистных работ к успеху не приводили.

Для выработок с небольшим показателем устойчивости (2<0,33) лучше осуществлять мероприятия по повышению устойчивости в начальный период существования при <0,2Т. При других условиях эффективность мероприятий должна резко возрастать.

Степень эффективности мероприятий по повышению устойчивости интенсивно деформирующихся (с большим и,) подготовительных выработок оценивали отношением

где рд — измеренное значение скорости смещений контура выработки; у5к-—математическое ожидание скорости смещений контура выработки при использовании мероприятий по повышению устойчивости; к — признак примененного мероприятия.

Прогноз развития любого объекта, в том числе внутренней системы с периодическим воздействием внешней, рассматривается нами как научно-аргументированпая информация о будущем. Достоверность, надежность и точность прогноза в работе обусловливаются:

получением информации о состоянии прогнозируемого объекта в прошлом и настоящем путем шахтных инструментальных измерений смещений контура выработок;

г>д/г>5к= |с!ор|,

(6)

окружающем выработку массиве горных пород Если бы породы были изотропной однородной средой, в которой отсутствуют вариации плотности, то самодиффузия в силу эквивалентности всех направлений на макроуровне в них не проявлялась бы, но в реальных породах, где имеются полости трещин, выработок (свободные поверхности)—потоки, направленные к ним и от них нескомпенсированы. Полости (трещины, выработки) играют роль своеобразного стока для вещества (горных пород). Таким образом, конвективный поток вещества играет роль ингибитора.

Анализ полученного решения

показал, что если происходит перераспределение напряженного состояния вблизи свободной поверхности, то возникает автоволновой устойчивый поток горных пород в полость выработки.

До численной реализации доведена описанная модель в простейшей постановке, которая скорректирована по данным шахтных инструментальных- наблюдений. Полученная анали-тико-экспериментальная зависимость имеет вид

Vi = М,

- EFtf _ ] Ир*

(3)

где Vj—скорость смещений контура подготовительной выработки в направлении i; М,, /V(, Ft —эмпирические коэффициенты; Н — глубина расположения выработки; а, Е — эквивалентные прочность и модуль упругости вмещающей слоистой толщи пород; q — средний отпор крепи.

Эмпирические кохффициенты М{ u .Nr найдены для условий опытно-промышленного внедрения методики по данным шахтных измерений. По значениям v выполняли оценку устойчивости выработки с использованием функции Белмана

* ■ I Af Ла )

L= min {—-—,--,--, (4)

1 \dfldt da ¡dt db\dt\

где ty—время устойчивого состояния выработки; Л/, Да, Ab— допустимые уменьшения соответственно площади поперечного сечения, высоты и ширины выработки.

и верхняков крепи," увеличивается повторное ' использование металлической податливой крепи.

Четвертая задача состояла в создании методики определения уровня устойчивости интенсивно деформирующихся подготовительных выработок.

Научный метод состоит в возможности связывать разрозненные фрагменты знания природы горного давления в единую картину при условии, если отыскано связующее звено. В настоящей работе таким связующим звеном" представляется явление флуктуации зональной дезинтеграции вмещающих выработки горных пород. Оно позволяет соединить в единый процесс все регистрируемые факторы воздействия'на состояние основного объекта исследований — подготовительной выработки. На первый взгляд вероятностное представление сложного многофазного процесса разрушения пород исключает всякую надежду на описание реального роста, взаимовлияния и ветвления трещин, их раскрытия и сдвига берегов трещин, потерю взаимной ориентации отделившихся блоков пород при интенсивных смещениях и т. д. Однако по мере усложнения процесса взаплюлействпл внутренней и внешней систем их влияние на критерий оценки процесса — скорость смещений контура выработки становится однозначным. При этом основным источником смещений контура выработки является днссипатнвный процесс разрушения пород — превращение потенциальной энергии горного давления п энергию свободных поверхностей трещин.

Для обоснования данного подхода решена задача баланса потоков энергии с использованием термодинамической теории структуры, устойчивости и флуктуации.

В качестве параметров состояния приняты обобщенные координаты — энтропия 5, плотность массы р, тензор деформаций ё. Сопряженные им обобщенные силы — температура Т, химический потенциал ц, тензор напряжений а, обобщен-

_-> — -> >- - V

ные импульсы Л"Р, Ку, обобщенные потоки /Р, V. Кроме того, V — скорость частиц среды (горных пород).

Внутренняя энергия и есть функция параметров состояния 5, р, е, кинетическая К — функция импульсов ККР. Ку так, что полные дифференциалы их имеют вид

(¡V = Тс}Б 4- ¡л^р + гг.. Лё,

с1К =Т5 с1Кк % с!КР -н ШКу. (1)

Первые слагаемые описывают тепловые вклады в энергию, вторые — в энергию, связанную с конвективным переносом вещества (самодиффузия), третьи — механическую работу, совершаемую при упругих и неупругих деформациях в

ности крепи, реализации податливости крепи путем деформирования ножек и верхняков. Таким образом, практика промышленной эксплуатации металлической арочной податливой крепи из спецпрофиля поставила актуальную научную и техническую задачу совершенствования работы замков податливости путем изменения характеристики жесткости крепи, плавности процесса реализации податливости, обеспечения постоянного сопротивления и др. с целью повышения устойчивости интенсивно деформирующихся подготовительных выработок.

Исследованы способы изменения рабочих характеристик наиболее применяемого (90% от всего объема) замка податливости арочной крепи из спецпрофиля, заключающиеся в установке между элементами крепи резинокордовой прокладки, а также в нанесении на элементы крепи антифрикционной смазки. Всего было испытано 22 замка податливости, в том числе 6 полных рам крепи на испытательной машине 1МС-50 и испытательном стенде ДонУГИ, состоящего из упорных, силовых домкратов, жестких подставок и деревянных затяжек. Он рассчитан на создание вертикальной нагрузки на две, стоящие на расстоянии 0,8 м, рамы крепи. Характерная диаграмма испытаний представлена на рис. 3. Результаты испытаний обрабатывали с использованием стандартных программ статобработки на ЭВМ, из анализа которых следует, что применение резинокордовой прокладки в замках податливости крепи увеличивает в 2 раза период времени между пиками максимальных нагрузок и снижает в 3 раза перепад давления в соседних максимумах; период достижения соседних минимальных значений давлений в крепи с прокладкой в 2 раза больше, характеристика жесткости более равномерная и обеспечивается больший отпор, чем в обычной крепи.

Комплекс шахтных инструментальных наблюдений выполнен на шахте им. Бажанова в течение 211 сут и показал эффективность снижения динамики взаимодействия крепи и пород путем установки в замки податливости резинокордовой прокладки.

Натурные наблюдения также показали, что одним из основополагающих физических принципов повышения устойчивости интенсивно деформирующихся выработок является снижение динамики характеристик податливых крепей для ограничения процесса флуктуаций зональной дезинтеграции вмещающих пород. Резинокордовая прокладка уменьшает динамику процесса взаимодействия крепи и пород, снижает средний отпор и увеличивает податливость крепи на стадии интенсивных смещений контура выработки. Устойчивость выработки повышается за счет более согласованной работы крепи и пород, ликвидируются порывы хомутов, профиля ножек

резонанс автоволн разрушения, динамической составляющей тензоров всех видов. Третья группа факторов:

резонанс динамики крепи с динамикой факторов внутренней и внешней систем;

динамическая составляющая отпора податливых крепей при взаимодействии с вмещающими выработку породами.

Результаты собственных шахтных исследований, а также анализ опубликованных другими авторами данных с позиции схемы-гипотезы, предложенной в работе, позволили сформулировать механизм воздействия внешней системы на внутреннюю с учетом многофазности процесса разрушения массива горных пород: по каждому случайно выбранному направлению £ от центра выработки в глубину массива в пределах области влияния выработки на массив возможно существование собственных продольной и поперечной волн флуктуа-ций зонального распределения дополнительного сжатия и расширения (уплотнения и разрыхления) пород. Исходя из положения о существовании закономерной связи между скоростью с движений контура подготовительной выработки по любому случайно выбранному направлению / от контура выработку в глубь массива с процессом разрушения пород по этому направлению в пределах области влияния выработки на массив вмещающих пород получен общий вид зависимостей смещении контура выработки вне зоны и в зоне влияния очистных работ. Эти зависимости использованы для анализа физического состояния интенсивно деформируемых выработок и разработки способа оценки их устойчивости.

Третья задача обоснования принципов взаимодействия податливой металлической крепи с вмещающими породагми решена на основе результатов комплексных исследований путем испытания на лабораторном стенде ДонУГИ реальных крепей и проверки полученных положений в шахтных условиях.

Ранее выполненные исследования показали, что прилегающий к крепи массив пород нельзя рассматривать как инерционный, не реагирующий на характер поведения крепи. Взаимодействие массива с крепью и воздействие крепи на массив в процессе совместного деформирования необходимо рассматривать неразрывно.

Деформирование выработок при больших скоростях смещений их породного контура во многих случаях связано с нарушением нормальной работы крепи еще до исчерпания ее конструктивных возможностей. Для податливой арочной металлической крепи при этом характерно нарушение замков податливости в виде разрыва хомутов, изгиба планок хомутов, несогласованное взаимное смещение элементов крепи. Это приводит к резкому снижению величины несущей способ-

летающих на глубине 800—1200 м в породах средней и ниже средней устойчивости, составляют

. 1?а = 9,250, м,

где О— У а-Ь, а и Ь — высота и ширина выработки.

Интереснно, что среднее значение размеров зон разрушения пород составляет

/?р = 4,62О, м,

т. е. примерно половину /?„.

Если отбросить факты крайней неравномерности и случайности значений реального тензора напряжений и деформаций в широких диапазонах в пределах внешней и внутренней систем, то сравнительно просто построить расчетные схемы для решения детерминированных задач по определению численных значений обозначенных напряжений и деформаций. Однако они будут не более чем моделирование квазиупругого и квазиизотропного (с определенными приемами учета широкого спектра видов деформирования пород и приемами определения эквивалентных свойств неоднородностей) массива горных пород, по существу далекого от реального.

Для получения схемы механизма, близкого к реальным процессам, необходимо вероятностное рассмотрение состояний внешней и внутренней систем в рамках качественных положений теории флуктуации и статистической физики.

. Широкий спекгр факторов, формирующих явление флук-туаций зональной дезинтеграции вмещающих выработку пород, разделен на три группы.

Первая группа факторов относится к внешней системе и представлена в основном:

динамической составляющей временного опорного давления (тензора напряжений и деформаций) в зоне влияния очистного забоя, предопределяемая спорадическим обрушением зависающих пород непосредственной и основной кровли, осадками покрывающей толщи;

напряжениями, вызываемыми причинами планетарного характера: лунно-солнечными приливами (лапласовы приливы 1-го типа с периодом 13—14 сут, их гармоники 27—28 и 81— 84сут);

резонансом приливных напряжений с максимальными напряжениями от зависающих консолей кровли.

Вторая группа факторов относится к внутренней системе, в пределах которой наблюдается и само явление флуктуации: динамическая составляющая тензора напряжений и деформаций в зоне влияния подготовительного забоя (комбайновый способ проходки или БВР, скорость проходки и т. д.); автоволны или автофлуктуации разрушения пород; : первичное и вторичное трещинообразование;

содержанием в подученной информации тенденций развития объекта в будущем в сочетании с положениями термодинамической теории структуры, устойчивости и флуктуации о возможности автоволновой релаксации сложного напряженно-деформированного состояния массива горных пород вокруг интенсивно деформирующихся подготовительных выработок;

возможностями мероприятий повлиять на развитие объекта с заданными параметрами через разработку специальных способов, технических ¡г планировочных решении и применение их еще на уровне адаптивного воздействия до наступления бифуркации объекта.

Для прогноза принят метод экстраполяции, основывающийся на предположении, что будущее есть прямое продол-жеиие прошлого и настоящего, причем траектория (тенденция) развития объекта прогноза не претерпит в ближайшем будущем существенных изменений. Кроме этого, использован главный принцип общей теории устойчивости Р. Тома, который состоит в том, что качественное объяснение явлений ни в какой мере не является чем-то второстепенным по отношению к их количественному описанию (как это зачастую принималось в современной горной науке), — напротив, оно носит основополагающий характер и обычно является более существенным.

Пятая задача работы посвящена определению физической сущности способов, технологических и пространственно-планировочных решений по повышению устойчивости интенсивно деформирующихся подготовительных выработок.

Флуктуации зональной дезинтеграции вмещающих выработки пород — тот научный базис для физического осмысления процессов интенсивного деформирования выработок, на котором зиждется сущность способов, технических и планировочных решений, предложенных в работе.

Системный подход к проблеме устойчивости выработок позволил выстроить все разработанные способы в иерархическом порядке по уровням адаптивности технологических схем.

Первая группа мероприятий — это те, которые нужно использовать до проведения выработок.

Вторая группа — это мероприятия, которые применяются при проведении выработок в проходческом забое.

Третья группа — это мероприятия, которые следует использовать в действующей выработке до влияния очистных работ.

Четвертая группа мероприятий используется в процессе взаимодействия внешней и внутренней систем, как правило, за счет управления параметрами внешней системы.

Пятая группа — это реанимативные способы — перекрепление выработки и подрывка пород почвы.

2

17

В работе предложен способ проходки выработки, в котором" предотвращается действие электростатического распора воды на рост трещин, особенно для условий слабых глинистых пород. Если в стенках выработки имеется слабый слой глинистых пород его при проходке выработок (типа штреков) следует располагать от уровня подошвы выработки на расстоянии, большем высоты капиллярного поднятия воды в породах, подстилающих слабый глинистый слой. Капиллярная вода не будет попадать в слабый слой, прочность его не будет изменяться и резко снизится (в 3—4 раза) интенсивность процесса разрушения пород в боках выработки. Способ реализован на шахте «Белозерская» объединения «Доб-ропольеуголь».

Снижение интенсивности смещений контура пластовой подготовительной выработки по сравнению с обычной выработкой достигается путем реализации значительной части потенциальной энергии и проявлений флуктуации зональной дезинтеграции пород в пределах пород.внутренней системы в два этапа. На первом этапе по пласту проводят передовую печь на всю ширину основной выработки и в слоистых породах в кровле и почве печи область влияния выработки на массив распространяется на такую же глубину, как и вокруг основного сечения. Интенсивность флуктуаций контролируют по величине и характеру соотношения скорости вертикальной и горизонтальной конвергенции пород. После того, когда это соотношение стабилизируется, выполняют второй этап — расширяют передовую печь до проектного сечения основной выработки. Данный способ был реализован на экспериментальном участке пластовой выработки на шахте им. Поченкова объединения «Макеевуголь».

Широкое распространение (на 6 шахтах Донбасса) получил способ, в котором повышение устойчивости действующей выработки достигается за счет снижения динамики взаимодействия податливой крепи со вмещающими породами. Для осуществления способа на интенсивно деформирующемся участке выработки устанавливают распорные устройства. В них повышают давление и прижимают верхняки крепи к кровле с усилием, превышающим давление пород на; крепь. Вслед за этим ослабляют замки крепи до образования зазора между ножками крепи и верхняками, равного толщине резинокор-довой прокладки: В этот зазор устанавливают прокладку, затем повышают давление в горизонтальном распорном устройстве, ножки крепи прижимают к верхнякам. В процессе действия вертикального и горизонтального усилий производят уплотнение разрыхленных пород в приконтурной зоне н закрытие трещин, параллельных контуру выработки, и расширяют за счет этого сечение выработки на 30—50% податливости крепи. После этого затягивают гайки на хомутах,

фиксируя распорную • нагрузку в рамах крепи и распорные % устройства убирают.

При возведении крепи в проходческом забое с предварительным распором распорная нагрузка препятствует свободному сдвижению пород в выработку, ограничивается разрушение вмещающих пород, сохраняется несущая способность вмещающего массива и этим самый повышается устойчивость выработки. Именно воздействие распора крепи на раскрытие трещин у контура предотвращает цепную реакцию распространения флуктуаций в глубину массива и ограничивает возможность его дальнейшего разрушения.

Для того чтобы осуществить качественный предварительный распор крепи необходимо максимально заполнять за-крепное пространство. Поэтому заполнение закренного пространства нужно производить с использованием вяжущего материала с периодом набора прочности, соответствующим периоду распора крепи, продолжительность которого выбирают равной времени подвигания забоя выработки на длину размещенного в нем технологического проходческого оборудования. После выполнения способа в закрепном пространстве между крепыо и породным контуром выработки образуется укрепленная породная оболочка, которая как бы замо: раживает эффект воздействия крепи на приконтурные трещины. Эта оболочка является дополнительным демпфером, изолирующим вмещающие породы от динамики податливой крепи.

Сущность физического воздействия другого способа на процесс интенсивного деформирования выработки заключается в ограничении на первом этапе продольной волны флуктуации путем установки плотной сети анкеров вокруг сечения выработки, а затеи на втором этапе в ограничении поперечной волны флуктуации путем нагнетания упрочняющего раствора через трубчатые анкеры, для которых исчерпана величина допустимых смещений.

При проведении выработки роль другого способа заключается в ограничении зарождающегося процесса интенсивных деформаций и сдвижений пород. Для этого в еще неразрушенном горном массиве по винтовой линии бурят криволинейный шпур. В шпур впрессовывают прямолинейный упругий анкер. В шпуре анкер деформируется и приобретает форму винтовой линии, воздействуя на массив подобно сжатой пружине. Имеано эта пружина — анкер служит демпфером-гасителем флуктуации зональной дезинтеграции вмещающих выработку горных пород.

Идея ограничения возможности зарождения флуктуации изначально была заложена в конструкции опорной рамно-аи-керной крепи. Арка крепи через скобу крепления передает отпор на втулки, расположенные на стержне анкера вдоль

2* 19

всей его длины. Втулки, расширяясь, упираются в-стенки шпура и передают отпор арки на породы в глубине массива. Таким образом, после распора рамно-анкерной крепи создается активный подпор породам в глубине массива сразу же после установки крепи, чем и ограничивается возможность продольной волны флуктуаций.

Идея ограничения развития поперечной волны флуктуаций реализована при проведении выработки путем создания в окружающем массиве радиально направленных щелей, расположенных под углом друг к другу, не большем 120°.

Продольную и поперечную волны флуктуаций, возникающих при проведении выработок в трещиноватых, но прочных породах возможно предотвратить за счет обеспечения качественного и длительного сцепления набрызг-бетонной крепи с породной поверхностью выработки. Для этого бетонную смесь предварительно перед нанесением на породную поверхность нагревают до температуры, равной температуре вмещающего массива.

На этапе интенсивного деформирования подготовительных выработок, когда в окружающем выработку массиве есть сеть трещин, смысл способов сводится к снижению или приостановлению уже существующего процесса распространения продольных или поперечных волн флуктуаций.

Весьма перспективным для ограничения пли приостановления процесса распространения продольных волн флуктуаций является упрочнение пород. В работе предложено 3 новых способа упрочнения трещиноватых пород.

Сущность первого состоит в заполнении сквозных трещин в очагах продольных воли флуктуаций путем нагнетания упрочняющего раствора в одни скважины и одновременного откачивания воздуха из других. При этом происходит прокачка раствора через сквозные трещины очагов продольных волн флуктуаций и их упрочнение.

Другим способом осуществляется возможность упрочнить как открытые, так и закрытые трещины. При этом одновременно с нагнетанием в скважины упрочняющего раствора создают вибрацию упрочняемых пород путем установки вибратора на породный контур выработки, создающего колебания породного массива.

Третий способ упрочнения принципиально отличается от всех ранее известных. Сущность способа заключается в закачивании в трещиноватый массив вначале во взвешенном воздушно-пылевом состоянии твердой компоненты упрочняющего вещества, затем в аэрозольном состоянии — жидкую. При таком порядке подачи упрочняющего вещества в трещиноватый массив возникает новый физический эффект. Упрочнение достигается не объемным заполнением трещин, а покрытием пустот в породах, в том числе и вершин трещин,

тонкой пленкой упрочняющего вещества. Вершины трещин представляют собой концентраторы напряжений, наличие которых способствует дальнейшему росту трещин. Механизм проникания твердой и жидкой компонент в микротрещины, в том числе и в вершины трещин — электростатическая диффузия.

В работе предложены способ контроля размеров зон тре-щиноватости пород вокруг горных выработок, при котором размер зоны фиксируют по дренажу воздуха через открытые трещины; способ определения степени заполнения трещин по совпадению обратной полярности пиковых значений эффективного электросопротивления до и после нагнетания упрочняющего раствора.

Описанные выше способы и мероприятия осуществляются в отношении одиночной протяженной подготовительной выработки.

Четвертая группа способов предполагает регулирование параметров внешней системы при ее воздействии на внутреннюю.

Идея целой группы из б способов под общим названием «Способ разгрузки горной выработки от напряжений» состоит в создании зоны неупругих деформаций посредством проведения и погашения разрезной печи в горном массиве между выработкой и очистным забоем. Эта зона служит демпферной полостью, в которой реализуется значительная часть потенциальной энергии динамической составляющей опорного давления впереди очистного забоя. В плоскости пласта таким образом отсекаются дополнительные горизонтальные деформации. Разработаны следующие варианты планировочных решений, расположения и формирования демпферной компенсационной полости относительно очистного забоя и охраняемой выработки. Конкретно при столбовой системе разработки, когда лава обратным ходом приближается к группе основных наклонных выработок (бремсбергам, уклонам и их ходкам, независимо от того, пластовые ли они, или полевые) полость может создаваться:

в действующем этаже (ярусе) между лавой и выработками;

в целике соседнего выше или ниже отработанного этажа (яруса) между демонтажной печыо и выработками;

в неотработанном соседнем с отрабатываемым этаже (ярусе) в пределах будущего целика.

Способы создания демпферной полости различны в зависимости от состава вмещающих пород отрабатываемого пласта:

проведение и погашение печи в пределах угольного пласта при слабых и средней устойчивости непосредственных кровли и почвы;

дополнительное взрывание ряда скважин в породах кровли или почвы при залегании непосредственно вблизи пласта мощной толщи прочных пород;

отработка лавы в пределах будущего целика, т. е. создание так называемого «полого целика», на расстояние по простиранию более шага осадки основной кровли при наличии во вмещающей толщи «пород-мостов».

Для создания наиболее благоприятных условий взаимодействия внешней и внутренней систем в работе предложено, лаву при столбовой системе разработки при формировании охранного целика у основных наклонных выработок (бремсбергов, уклонов и их ходков) или у магистральных штреков (при погоризонгной подготовке шахтного поля) останавливать в момент первого обрушения основной кровли после прохода лавы через проектную границу целика. .При этом длина консоли основной кровли и кохффициент концентрации стационарного опорного давления уменьшаются с максимальных до минимальных, значений. Это. приводит к тому, что охраняемая выработка оказывается вне зоны влияния опорного давления.

В работе предложен, испытан и внедрен на шахте «Белозерская» новый способ разработки пологих и наклонных угольных пластов. Сущность его состоит в максимальном, учете особенностей формирования зон временного и стационарного опорного давления и воздействия его на пластовые, пройденные вприсечку, по обрушенным и уплотненным породам выработки. По сути это комплексное планировочное решение, позволяющее повысить устойчивость интенсивно деформирующихся пластовых выемочных выработок.

Шестая задача решена в работе путем промышленных испытаний и внедрения способов, технических и планировочных решений по повышению устойчивости интенсивно деформирующихся подготовительных выработок на глубоких шахтах Донбасса, отрабатывающих пологие тонкие и средней мощности угольные пласты.

Решение вопросов повышения устойчивости выработок осуществлялось автором работы на шахтах объединений «До-бропольеуголь», «Макеевуголь», «Донецкуголь» и «Шахтерск-уголь» в соответствии с положениями методики, позволяющей службам действующих шахт:

1. Определить реальную устойчивость подготовительных выработок шахт.

2. Установить те элементы технологических схем подготовки шахтного поля и применяемых систем разработки плаг. стов, где происходит или возможно в ближайшее время интенсивное деформирование подготовительных выработок.

3. По установленному уровню устойчивости ■ определить вид мероприятий, которые наиболее эффективно позволят.

предотвратить вредные проявления горного давления в конкретных выработках, а не ликвидировать его последствия путем перекреплений н подрывок почвы после разрушения выработок.

. Кроме этого, опытно-промышленную проверку разработанных решений выполняли в наиболее типичных условиях. Внедрение способов, технических и планировочных решении осуществляли на базе экспериментально обоснованных параметров. Технико-экономическую оценку результатов внедрения осуществляли согласно действовавшим нормативным документам.

На шахтах им. Бажанова, им. Батова, им. Поченкова, «Чайкпно», «Красногвардейская» осуществляли промышленные испытания и последующее внедрение способа крепления подготовительных выработок с начальным (предварптель-. ным) распором металлической арочной податливой крепыо. Обычная технология возведения крепи не предусматривала создание начального отпора крепи.

Испытания показали, что использование распора крепи в проходческом забое возможно как при проведении выработок комбайном, так и БВР, с деревянной и железобетонной затяжкой. Скорость смещений вдали проходческого забоя в выработках с крепыо, установленной с распором, меньше на 7...10%, чем в обычных выработках. За 1981 —1982 гг. было закреплено 5,47 км выработок. Фактический экономический эффект составил 122,16 тыс. руб. (а. с. № 887812). Значит, на больших глубинах этот способ является перспективным для повышения устойчивости интенсивно деформирующихся подготовительных выработок.

На шахте «Красногвардейская» с 1983 по 1988 г. использовали способ крепления подготовительной выработки податливой рамной крепью с установкой резинокордовой прокладки. Была разработана технология реализации способа применительно к условиям шахты и за время внедрения было закреплено 10523 м выработок с использованием резинокордовой прокладки в замках податливости арочной металлической крепи. Сущность технического эффекта заключалась з том, что при наличии в замках резиновых лент-прокладок взаимное проскальзывание ножек и верхняков крепи происходило плавно, без резких скачков, заклинивания, разрывов профиля крепи и хомутов на замках податливости. Такой эффект действия прокладок, кроме уменьшения разрушений пород, приводит к тому, что возрастает количество комплектов крепи, извлеченных из погашаемых выработок и пригодных для повторного использования.

Опыт шахты «Красногвардейская» подтвердил целесообразность применения на больших глубинах способа, крепления интенсивно деформируемых подготовительных выработок

с использованием демпфирующей прокладки в замках податливости металлической крепи из СВП. В выработках велн учет количества полностью деформированных рам крепи и рам крепи, подлежащих повторному использованию без ремонта. Сравнительная оценка затрат на применение способа с затратами на поддержание выработок без демпферов показала, что общий экономический эффект за время внедрения составил 414 тыс. руб. (а. с. № 1008459).

Для предотвращения вредного воздействия лав, отрабатываемых обратным ходом, на состояние уклона и ходков на шахте «Белозерская» объединения «Добропольеуголь» в 1987 г. было начато промышленное испытание, а затем внедрение способа разгрузки горной выработки от напряжений со следующей формулой изобретения. Способ разгрузки горной выработки от напряжений, включающий проведение выработки, с образованием зоны неупругих деформаций в окрестности выработки, отличающийся тем, что с целью повышения устойчивости выработки при влиянии очистных работ, зону неупругих деформаций создают посредством проведения разрезной печи между выработкой и очистным забоем и ее погашения, при этом печь проходят на расстоянии, равном сумме величин зон неупругих деформаций выработки и разрезной печи, а погашают вне зоны опорного давления.

Согласно данным испытаний устойчивость уклона и ходков достигалась даже при уменьшении ширины охранного целика на 8...10%.

Внедрение демпфирования горизонтальной составляющей временного опорного давления убедительно показало эффективность способа при отработке четырех ярусов пл. /3 шахты «Белозерская». Общий экономический эффект составил 109 тыс. руб. (а. с. № 1239348).

Комплексное планировочное решение — новый способ разработки пологих и наклонных угольных пластов (а. с. № 1510444) был внедрен на шахте «Белозерская» в 1987 г. после длительных испытаний с 1982 по 1987 г.

Преимущества способа заключаются в следующем: становится технически осуществимой подготовка столбов длиной 1800...2200 м;

при проведении выработок (транспортной и вентиляционной) способ дает возможность осуществить их проходку до границы выемочного столба;

за счет наклонной сбойки и ходка в обрушенных и уплотненных породах пуск лавы осуществляют при меньших объемах подготовительных работ (около 25%);

за счет сокращения сроков подготовки столба сокращают сроки ввода вновь действующих лав;

при уменьшении длины вентиляционного штрека улучшаются условия проветривания участка с повышенной концент-

рацией метана, что позволяет повысить суточную производительность очистного забоя;

снижают затраты на поддержание штреков за счет уменьшения срока эксплуатации в 2^аза.

За годы внедрения (с 1987 по 1990 г.) на шахте отработано 2 яруса (4-е и 5-е южные лавы пласта /з), и в настоящее время заканчивается отработка 6-й южной лавы пласта /з шахты «Белозерская» с использованием разработанного способа. Общий экономический эффект составил 585 тыс. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации осуществлено решение научной проблемы обеспечения устойчивости интенсивно-деформирующихся подготовительных выработок глубоких шахт, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем.

1. Установлены закономерности формирования и видоизменения зональной дезинтеграции вмещающих выработки осадочных пород в условиях пологого залегания пластов на глубинах до 1000...1100 м.

Выявлено, что устойчивость выработки предопределяется динамическими процессами изменения состояния пород в пределах области влияния выработки на массив, крепи, а также характером процесса их взаимодействия. В период интенсивного деформирования наблюдается случайное до 20 раз отклонение соотношений горизонтальных и вертикальных сдвижений контура выработки, а в это время в окружающих породах формируется зональное распределение дополнительных деформаций сжатия и расширения (уплотнения и разрыхления). Зафиксировано несколько чередующихся друг с другом зон, охватывающих полость выработки.

Интенсивные неравномерные сдвижения контура выработки вызываются формированием зон пород с разным знаком дополнительного деформирования, которые перемещаются в пределах области влияния выработки на массив как бы из глубины массива к контуру выработки, при этом изменяются и конфигурация, и размеры зон. Конфигурация зон имеет преимущественно вид разорванных незамкнутых колец, которые как бы вплетаются друг в друга и вместе охватывают контур выработки.

Установлено, что флуктуации зональной дезинтеграции пород наблюдаются в области влияния выработки на массив по всем направлениям залегания пород относительно выработки: в кровлю, в почву, по простиранию, восстанию и падению пород.

2. Показано, что по каждому случайно выбранному направлению от центра выработки в глубину массива в пределах области влияния выработки на массив возможно существование собственных продольной и поперечной волн флуктуации. Широкий спектр факторов, формирующих явление флуктуаций, разделен на группы с позиций системного подхода к рассмотрению технических объектов:

факторы внутренней системы;

факторы внешней системы.

Среди факторов внутренней системы описано явление роста трещин под действием электростатического распора свободной воды, попадающей в трещины, а также явление автоволнового разрушения пород близкора.стущими трещинами; подтверждено, что в величине и неравномерности сдвижений' контура кроме разрыхления участвуют геометрические эффекты: складкообразование, развороты и сдвижения больших блоков пород. .

3. Лабораторными и шахтными исследованиями режимов работы металлической .податливой арочной , крепи из спецпрофиля установлены физические принципы ее деформирования.

Характеристике обычной трехзвенной металлической• податливой крепи из спецпрофиля СБП присуща динамика величины отпора, скорости изменения отпора и перепада давлений.

Показано, что снижение динамики характеристики податливых крепей приводит к резкому повышению устойчивости интенсивно деформируемых выработок из-за ликвидации инициирования явления флуктуации зональной дезинтеграции скачкообразным взаимодействием крепи с боковыми породами.

Обоснован и реализован принцип демпфирования динамики отпора крепей путем установки в замки податливости ре-зинокордовой прокладки. Представление о возможности регулирования интенсивности фундаментального физического явления флуктуации зональной дезинтеграции пород вокруг выработок базируются на выравнивании, характеристик отпора крепи и снижении ожидаемой динамики взаимодействия крепи и пород и положено в основу целого ряда способов, защищенных авторскими свидетельствами.

4. Анализ и обобщение результатов эксплуатации горных выработок, исследований причин потерь их устойчивости положен в основу классификации применяемых на шахтах Донбасса и созданных в настоящее время способов, технических и планировочных решений по повышению устойчивости интенсивно деформируемых выработок по. уровню их адаптивности к особенностям проявлений горного давления. . ■

5. Разработана методика определения уровня устойчивости интенсивно деформируемых выработок, позволяющая:

оценить устойчивость любой подготовительной выработки действующей шахты;

определить необходимость и оптимальный период применения мероприятий по повышению устойчивости подготовительной выработки;

установить вид технически осуществимого, экономически выгодного и технологически приемлемого способа, пространственно-планировочного решения;

предсказать наиболее вероятные значения параметров выбранного способа для его конкретной реализации.

Обоснован конкретный вид зависимости для определения интенсивности смещений контура выработки по наиболее вероятному направлению наибольших деформаций.

6. Предложены, обоснованы и внедрены на 7 шахтах Донбасса способы, технологические и пространственно-планировочные решения по повышению устойчивости интенсивно деформируемых ' выработок, а именно: демпфирование характеристики податливых крепей путем установки резино-кордовой прокладки в замках податливости, устранение резонанса продольных волн разрушения путем диагонального расположения очистного забоя относительно оси подготовительной выработки, устранение явления электростатического распора воды в слабом слое путем расположения подошвы выработки ниже уровня капиллярного поднятия воды к слабому слою, демпфирование воздействия внешней системы на внутреннюю путем проведения разделяющей компенсационной полости, ограничение процесса флуктуации путем активного предварительного распора крепи, комплексное использование всех уровней адаптивности в рациональном способе подготовки.

Внедренные способы обеспечили снижение интенсивности сдвижений контура подготовительных выработок. Произведена технико-экономическая оценка использования способов на шахтах Донецкого бассейна. Общий подтвержденный экономический эффект составляет 1230 тыс. руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Морозов А. Ф. Способы повышения устойчивости выработок глубоких шахт в слоистом горном массиве. Тез. Всесоюз. конф. «Геомеханические проблемы высокопроизводительной разработки тонких и средней мощности пластов на глубоких горизонтах». Донецк, 1980, с. 31.

2. Морозов А. Ф. Об учете ослаблений слоистого горного массива.— В сб.: Разработка месторождений полезных ископаемых. Киев: Техника, 1980, № 57, с. 37—40.

• 3. Миренков В. Е., Морозов А. Ф. Напряженно-деформированное состояние массива с двумя очистными выработками. .Тез. Всесоюз.. конф.

«Геомеханнческие проблемы высокопроизводительной разработки тонких и средней мощности угольных пластов на глубоких горизонтах». Донецк,

1980, с. 18.

4. Зборщик М. П., Малярчук А. М., Морозов А. ф. Электромагнитный контроль трсщиноватости слоистого массива горных пород вокруг выработок. — В сб.: Геофизические методы контроля напряжений в горных породах. Новосибирск, 1980, с. 139—142.

5. Зборщик М. П., Морозов А. Ф. Пути повышения устойчивости выработок в слоистом горном массиве. Тез. Всесоюз. конф. «Комплексное исследование физических свойств горных пород и процессов М.: МГИ,

1981, с. 44.

6. Миренков В. Е., Морозов А. Ф. О напряженно-деформироваином состоянии массива с очистной выработкой. — В сб.: Разработка месторождений полезных ископаемых. Киев, Техника, 1981, № 60, с. 37—40.

7. Зборщик М. П., Морозов А. Ф. Механизм разрушения слоистых пород л взаимодействие их с крепью полевых подготовительных выработок. — В сб.: Проблемы механики подземных сооружений. Тула, 1982, с. 110-112.

8. Зборщик М. П., Морозов А. Ф. Определение устойчивости горных выработок по средней во времени скорости смещений породного контура.— В сб.: Разработка месторождений полезных ископаемых. Киев: Техника, 1983, № 66, с. 9—16.

9. Морозов А. Ф., Пилюгин В. И. Устойчивость основных выработок при развитии очистных работ в шахтном поле. Тез. конф. молодых ученых и специалистов угольной промышленности «Молодые ученые — научно-техническому прогрессу в угольной промышленности». Донецк, . .1984, с. 10—11.

10. Морозов А. Ф., Пилюгин В. И. Скорость смещений контура выработок в неравнокомпонентном поле напряжений. Тез. конф. молодых ученых и специалистов угольной промышленности «Молодые ученые — научно-техническому прогрессу в угольной промышленности».. Донецк, 1984, с. 109.

11. Морозов А. Ф. О разрушении осадочных горных пород вблизи подготовительных выработок. — В сб.: Разработка месторождений полезных ископаемых. Киев: Техника, 1985, № 72, с. 19—23.

12. Чумак А. С., Степанов Н. Е., Пилюгин В. И., Морозов А. Ф. Последующая диагональная надработка полевых выработок. — В сб.: Разработка месторождений полезных ископаемых. Киев: Техника, 1987, № 76, с. 75—83.

13. Зборщик М. П., Малярчук А. М., Морозов А. Ф. Влияние воды на развитие трещин в горных породах. — Физико-технические .проблемы разработки полезных ископаемых, 1982, № 3, с. 92—94.

14. Зборщик М. П., Морозов А. Ф., Пилюгин В. И. Особенности формирования области влияния выработки в обрушенных и уплотненных породах. — Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1987, № 2, с. 17-21.

15. Морозов А. Ф. Флуктуации зональной дезинтеграции пород вокруг подготавливающих выработок. — В сб.: Пути улучшения состояния горных выработок. — М.: ЦНИЭИуголь, 1989, с. 29.

16. Аралов Е. Г., Сапицкий К- Ф., Морозов А. Ф. Опыт отработки камерами оставленных запасов на шахте им. XXI съезда КПСС.— Уголь Украины, 1989, N2 6, с. 7—9.

17. Зборщик М. П., Морозов А. Ф., Пилюгин В. И. Проявления горного давления в подрабатываемых выработках, поддерживаемых в толще обрушенных и уплотненных пород. — В сб.: Горное давление в очистных и подготовительных выработках. Новосибирск, 1989, с. 3—8.

18. Морозов А. Ф., Дорохов Д. В., Юскевич А. М., Усов А. А. Особенности способов охраны подготовительных выработок в условиях шахты им. Челюскинцев объединения: «Донецкуголь».,— В сб.; Тезисы докла,-

лов научно-технической конференции по завёршенным научно-исследовательским работам». Донецк, 1991, с. 19.

19. Морозов А. Ф., Дорохов Д. В., Юскевич А. М., Усов А. А., Соловьев Г. И., Казакова Е. И. Обоснование параметров охраны пластовых выработок на моделях из эквивалентных материалов. — В сб.: Тезисы докладов научно-технической конференции по завершенным научно-исследовательским работам. Донецк, 1991, с. 22.

20. Соловьев Г. И., Цапов Г. П., Морозов А. Ф. О механизме деформирования боковых пород на контуре полевых выработок при их последующей надработке. — В сб.: Тезисы докладов научно-технической конференции по завершенным научно-исследовательским работам. — Донецк, 1991, с. 21.

21. Соловьев Г. И., Морозов А. Ф. Особенности проявлений горного давления на концевых участках лав.— В сб.: Тезисы докладов научно-технической конференции по завершенным научно-исследовательским работам. — Донецк, 1991, с. 20. ■

22. Морозов А. Ф., Юскевич А. Л\. Флуктуации зональной дезинтеграции осадочных пород вокруг подготовительных выработок. — Уголь Украины, 1991, № 7,— С. 5.

23. Морозов А. Ф. Особенности механизма интенсивного деформирования подготовительных выработок. Тез. Всесоюз. конф. «Физические процессы горного производства». — М.: МГИ, 1991, с. 60—61.

24. Sapitsky К. F., Wororov A. F., Kuzmitcli О. U. Further Deve-lodment snort-face Technology in the Soviet Coal Mines. International Conference .Reliability, Production and Control in Coal Mi.'.es*.— Wo-llo igong, Ausiralia.— p. 186, 1991.

25. Morozov A. F. Fluctuations of Zonat Desimapratons of sedime--tnry Rock Лгошто! tne Development Worsing. International Conference .Reliability, Production and Control in Corl Mines". — Wollqngong, Australia. — p. 3.0. 1991.

26. Зборщик M. П., Морозов A. <t>. Методические рекомендации и материалы гто обоснованию и выбору параметров технологии предварительного распора крепи на шахтах объединения «Макеевуголь». Донецк, 1980, 23 с.

27. А. с. 817253 (СССР). Способ проходки выработки/М. П. Зборщик, В. К. Костеико, А. Ф. Морозов. — Опубл. в Б. И., 1981, № 12.

28. А. с. 887812 (СССР). Способ крепления подготовительной выработки податливой рамной , крепью/М. П. Зборщик, А. Ф. Морозов.— Опубл. в Б. И., 1981, № 45.

29. А. с. 859638 (СССР). Способ контроля размеров зон трещинова-тости пород вокруг горных выработок/М. П. Зборщик, А. М. Малярчук, А. Ф. Морозов. — Опубл. в Б. И., 1981, № 32.

30. А. с. 916761 (СССР). Способ возведения набрызг-бетонной крепи/ К- В. Кошелев, М. П. Зборщик, Ю. А. Петренко, А. Ф. Морозов, — Опубл. в Б. И., 1982, № 12.

31. А. с. 912945 (СССР). Опорная рамно-анкерная крепь/М. П. Зборщик, А. Ф. Морозов.—Опубл. в Б. И., 1982, № 10.

32. А. с. 973852 (СССР). Способ упрочнения пород/М. П. Зборщик, Н. Н. Касьян, Е. И. Кольчик, А. Ф. Морозов. — Опубл. в Б. И., 1982, № 42.

33. А. с. 972093 (СССР). Способ определения степени заполнения трешин/М. П. Зборщик, А. М. А\алярчук, В. В. Назимко, А. Ф. Морозов. — Опубл.. в Б. И., 1982, № 41.

' 34. А. с. 960441 (СССР). Способ упрочнения трещиноватых пород/ М. П. Зборщик, В. В. Назимко, Е. И. Назимко, А. Ф. Морозов. — Опубл. в Б. И., 1982, № 35.

35. А. с. 1008459 (СССР). Способ крепления подготовительной выработки податливой рамной крепью/М. П. Зборщик, А. Ф. Морозов. — Опубл. в Б. И., 1983, № 12.

<-36. А. с. 1040167 (СССР). Способ крепления вырабйтки/К. А. Арда-шев, М. П. Зборщик, Б. 3. Амусин, А. Ф. Морозов. — Опубл. в Б. И., 1983, •№> 33.

37. А. с. 987108 (СССР).-Способ крепления горных выработок/К. А. Ардашсв, Б. 3. Амусин, Ю. М. Басинский, А. Ф. Морозов.—"Опубл. в Б. И., 1983, № 1.

38. А. с. 1182172 (СССР). Способ проходки выработки/М. П. Зборщик, А. Ф. Морозов, В. И. Пилюгин. — Опубл. в Б. И., 1985, № 36.

39- А. с. 1239348 (СССР). Способ разгрузки выработок от напряже-пий/М. П. Зборщик, В. И. Пилюгин, А. Ф. Морозов. — Опубл. в Б. И., 1986, №23.

40. А. с. 1314082 (СССР). Способ разгрузки пластовой выработки от напряжений/М/ П. Зборщик, В. И. Пилюгин, А. Ф. Морозов. — Опубл. в Б. И., 1987, 20. - -

41. А. с. 1427929'(СССР). Способ разгрузки горной выработки от напряжений/М. П. Зборщик, В. П. Прокофьев, А. Ф. Морозов, Р. В. Дег-тярь. — ДСП, 1986.'

42. А. с. 1416705 (СССР). Способ возведения анкера/Д. Д. Выговский, А. Ф. Морозов, Б. 3. Амусин, А. С. Лященко. — Опубл. в Б. И., 1988, Лс 30.

■ 43. А. с. 1481419 (СССР). Способ охраны выработок/Н. Н. Касьян, А. Ф. Морозов, О. Ю. Кузьмич, Е. И. Кольчик. — Опубл. в Б. И., 1988, № 19.

44. А. с. 1510444 (СССР). Способ разработки пологих и наклонных пластов/М. П. Зборщик, А. Ф. Морозов, В. Р. Швец. — ДСП,. 1990.

45. А. с. 1555502 (СССР). Способ разгрузки горной выработки от напряжений/'М. П. Зборщик, И. Ф. Ярембаш, Р. В. Дегтярь, А. Г. Гудзь, А. Ф. Морозов,—Опубл. в Б. И., 1990, № 13.

46. А. с. 1641062 (СССР). Способ упрочнения трещиноватых пород/ А. Ф. Морозов, Н. Н. Касьян, А. П. Клюев, В. И. Лысенко, В. А. Тимофеев. — ДСП, 1991.

47. А. с. 1578347 (СССР). Способ разгрузки горной выработки от напряжений/А. Ф. Морозов, В. Р. Швец, В. Е. Миренков. — ДСП, 1991.

48. А. с. 1582735 (СССР). Способ охраны выработки целиками угля/ А. Ф. Морозов. — ДСП, 1991.

49. "А. с. 1688628 (СССР). Способ разгрузки горной выработки от напряжений/А. Ф. Морозов, Е. Ю. Шептунов.—ДСП, 1991.

50. А. с. гго заявке № 4929520/03 от 22.04.1991. Способ охраны выработки/А. Ф. Морозов, Д. В. Дорохов. — Полож. реш. от 17.06.1992. -