автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Расчет напряженного состояния крепи горных выработок в режиме заданных смещений контура с целью определения ее несущей способности

ВВЕДЕНИЕ. £ i V

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ СОСТОЯНИЕМ ГОРНОГО МАССИВА,

ВМЕЩАЮЩЕГО ПОДГОТОВИТЕЛЬНУЮ ВЫРАБОТКУ

1.1. Влияние способов проведения горных выработок на состояние горного массива .•••.«••••

1.2. Оценка давления на крепь и смещений горного массива . . II

1.3. Учет реологических свойств пород

1.4. Учет различных очертаний породного контура выра- 24 ботки.«'•'

1.5. Постановка задач исследований .•••

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

СИСТЕМЫ "ПОРОДА-КРЕПЬ" .;.

2.1. Расчетная схема определения давлений на крепь по измеренным смещениям контура .;.

2.2. Метод вычисления ядер податливости

2.3. Решение системы уравнений для определения нагрузок на крепь .••.•.•••••.

2.4. Регуляризация решения основной системы . ;

2.5. Метод выделения постоянной составляющей давления на крепь .•.•.*»•.•••

2.6. Построение эпюр нагрузок на крепь и определение напряжений в крепи.

2.7. Учет временного фактора при решении задачи •

3. РАЦИОНАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ КРЕПИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ♦ 4 £

3.1. Анализ закономерностей изменения внутренних усилий в крепи . .*

3.2. Критерий выбора крепи облегченного типа . 96 4.ПР0МЫШЛЕННАЯ ПРОВЕРКА РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ КРЕПИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК.

4.1. Реализация метода расчета на шахте им. А.А. Скочинского.

4.2. Реализация метода расчета на шахте им.ХХУ съезда КПСС.

Актуальность работьи "Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 г.г. и на период до 1990 года" предусмотрен рост добычи угля до 770-800 млн.т. в год. Такое увеличение объемов связано с вовлечением в эксплуатацию новых месторождений, как правило, на больших глубинах.

Опыт добычи полезных ископаемых показывает,что с увеличением глубины разработки условия работы крепи горных выработок резко ухудшаются. Возрастают запасы энергии горного массива,- приводящие к обрушению пород и увеличению деформации породного контура выработки, а следовательно, давления на крепь, На глубине 1000 м и более в слабых и средней крепости породах жесткие крепи не в состоянии противостоять силам горного давления, и,как пра« вило, деформируются и разрушаются,

В дальнейшем глубина горных работ будет увеличиваться,условия работы крепи подготовительных выработок будут ухудшаться, а-вопрос выбора типа крепи становиться все более сложным.

Большинство существующих методов расчета крепей подготови -тельных выработок шахт базируется на заданных напряжениях, поддающихся лишь косвенным измерениям. Для учета основных свойств вмещающих пород в качестве граничных условий задачи следует задавать экспериментальные смещения, автоматически включающие в себя учет свойств горного массива.

До настоящего времени расчет крепи по заданным смещениям удавалось осуществить только для некоторых специальных случаев, когда крепь могла имитироваться стержневым многоугольником с небольшим числом сторон или сплошным кольцом постоянной толщины, сцепленным с вмещающими породами.

Поэтому диссертационная работа, в которой представлен метод расчета крепи по заданным смещениям, является актуальной.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с направлением исследований, проводимых в Институте геотехнической механики АН УССР по Постановлению ГКНТ СССР № 415 от I8.IX.I976 г. и по Постановлению ГКНТ СССР, Госплана СССР и Академии наук от 12.12. 1980 г. № 475/25I/I3I.

Целью работы является определение рациональных параметров крепи подготовительных выработок для улучшения условий их поддержания;

Идея работы состоит в учете произвольности очертания, неравномерности толщины и неоднородности материала крепи при определении зависимости между нагрузками на крепь и смещениями ее контура.

Новые научные положения, защищаемые в диссертации и разработанные лично соискателем

1. Впервые получены зависимости между нагрузками на крепь и смещениями ее контура с учетом произвольности формы выработки, неравномерности толщины крепи и неоднородности ее материала,позволяющие разработать метод расчета системы "порода-крепь" по заданным смещениям.

2. Установлено,что в своде и стенках незамкнутой крепи напряжения в 5 раз больше, чем в элементах такой же крепи, но с обратным сводом. Это позволяет сделать вывод о том,что обратный свод не только препятствует смещениям почвы, но и перераспределяет нагрузку в стенках и своде крепи.

3. Установлено,что путем изменения толщины по контуру можно добиться более равномерной работы материала крепи и уменьшить напряжения. Это позволяет сделать вывод о возможности создания о крепей равного сопротивления.

Обоснованность и достоверность научных положений. Научные положения, выводы и рекомендации установлены в результате аналитических исследований, выполненных апробированными методами теории упругости и ползучести. Расчеты, основанные на методах вычислительной геометрии, проверялись сравнением с частными случаями, для которых известны точные аналитические решения. Возведенная на шахте им. А.А.Скочинского и на шахте им.ХХУ съезда КПСС крепь с расчетными параметрами находится в эксплуатационном состоянии более трех лет.

Значение работы. Результаты исследований позволяют рассчитать напряженное состояние крепи произвольной формы, замкнутой и незамкнутой, неравномерной толщины по контуру, с изменяющимися свойствами материала крепи в пространстве и во времени для конкретных горно-геологических условий.

Разработан метод расчета и программа для ЭВМ, позволяющая полностью автоматизировать расчет крепи. Результаты расчета дают возможность определить рациональные параметры крепи, позволяющие улучшить условия поддержания выработок.

Разработан критерий выбора крепи облегченного типа.

Разработанный метод расчета, программу для ЭВМ и критерий выбора крепи облегченного типа рекомендуется использовать научными и проектными организациями при проектировании крепей горных выработок.

Реализация работы. Разработанный критерий выбора крепей облегченного типа включен во "Временную инструкцию по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа" С раздел I, пункт 7.1.5, стр.153 ), ут«* вержденную в 1983 году Минуглепромом СССР и согласованную с ВЦСПС. Разработанные рекомендации внедрены на шахте им.А.А.Ско-чинского ПО "Донецкуголь" и на шахте им.ХХУ съезда КПСС ПО "Макеевуголь", получили одобрение на УП Всесоюзной конференции по механике горных пород ( Днепропетровск, 1981 г. на совместном заседании секции подземной разработки угля и сланца научно-технического Совета Министерства угольной промышленности СССР, научного Совета по проблеме "Новые процессы и способы производства работ в горном деле", Государственного комитета Совета Министров СССР по науке и технике, Центрального правления НТО горное ( Люберцы, Х982 г* ), на Всесоюзном научно-техническом совещании "Проблема внезапных выбросов угля, породы и газа" ( Макеевка,1983 г.), на семинарах лаборатории горного давления Института горного дела им. А.А.Скочинского ( Люберцы,1983 г.), отдела управления дина~ мическими проявлениями горного давления совместно с советом по проблеме "Разработка научных основ механики горных пород и внезапных выбросов угля, породы и газа" Института геотехнической механики АН УССР ( Днепропетровск,1984 г. ), на научном семинаре отделения управления состоянием горного массива ЙГД им.А,А. Скочинского ( Люберцы,1984 г.), на объединенном научном семинаре иГТМ АН УССР ( Днепропетровск,1984 г.).

Публикации» По результатам исследования опубликовано б печатных работ.

Объем работы. Диссертационная работа содержит 97 страниц машинописного текста и состоит из введения, четырех глав и заключения. Она содержит 23 иллюстрации, список использованной литературы из III наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации изложено новое решение актуальной научно-технической задачи, заключающейся в выборе рациональных параметров крепи подготовительных выработок на основе расчета крепи по заданным смещениям с учетом произвольности формы выработки, неравномерности толщины и неоднородности материала крепи.

Основные научные выводы, полученные в диссертации, и практические рекомендации базируются на результатах теоретических и экспериментальных исследований и сводятся к следующее:

1. В связи с тем,что деформирование крепей вызывается смещениями породного контура выработки, поддающимиеянепосредственному измерению, расчет крепи необходимо проводить по заданным смещениям.

2. Расчет по заданным смещениям целесообразно осуществлять при помощи ядер податливости, связывающих действующие на крепь силовые факторы и ее смещения. Ядра податливости определяются численным методом с использованием ЭВМ.

3. Метод учитывает переменность толщины крепи, возможную неоднородность ее материала и пригоден для крепей любой конфигурации с произвольным закреплением концов.

4. Для реализации метода расчета разработана программа на §ортране-1У в среде ДОС ЕС ЭВМ.

5. Результаты расчетов напряженного состояния крепей,проведенные по обобщенным экспериментальным данным, позволили установить следующие закономерности, имеющие практическое значение: с увеличением толщины крепи напряжения в сечении уменьшаются, однако, изгибакщие моменты и продольные усилия в более тонких крепях меньше, поэтому для упрочнения крепи следует не увеличивать ее толщину, а применять более прочные и податливые материалы ; обратный свод не только препятствует смещениям почвы, но и приводит к перераспределению, снижающему величину нагрузки в своде и стенках крепи.

6. Доказана возможность создания крепи равного сопротивления с переменной толщиной стенки. Характер изменения толщины крепи зависит от формы выработки и ожидаемой неравномерности конвергенции контура.

7* Рекомендованный критерий выбора крепи облегченного типа включен во "Временную инструкцию по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа" ( раздел 7, пункт 7.1.5, стр. 153 ), утвержденную Минугле^ промом СССР и ВЦСПС.

8. Разработанные на основе результатов работы рекомендации по креплению капитальных выработок, пройденных комбайнами использованы на шахте им. А.А.Скочинского и на шахте им.ХХУ съезда КПСС.

Крепь выработок находится в эксплуатационном состоянии, реальный экономический эффект составляет 49 руб./ п.м.

1. Айзаксон Э. Давление горных пород в шахтах. М.: Госгор-техиздат#Т961^- 176 of2, Зорин А.Н. Управление динамическими проявлениями горного давления.- Ш: Недра,1978.-170 с.

2. Лысиков В.В. К вопросу механизации крепления подготовительных выработок при проведении их комбайнами. В кн.:Науч -ные сообщения ИГД им. А.А.Скочинского,1975, вып;: 126,* с|85-88;

3. Заславский Ю.З^, Зорин А.Н., Черняк И;Л; Расчет параметров крепи выработок глубоких шахт. Киев: Техн1каД972;-155 с^

4. Савин F.H. Влияние крепления на распределение напряже -ний возле узких подземных выработок. В кн.: Давление горных пород на крепь вертикальных шахт.: Записки Института горной механики АН УССР, Киев, 1947, * 5, с.

5. Родин Й.В. К вопросу о решении задач гравитационного давления горного массива на крепи подземных выработок. * Докл. АН СССР, 1951, 78, Ш 3, с.421-424.

6. Юрченко И.А. К вопросу о равновесии деформируемой системы крепь порода; - Физико-техничеокие проблемы разработки полезных ископаемых,'1971, № 3, с;29-37.

7. Заславский Ю.З., Литвинекий Г.Г. Упрощенный расчет монолитных крепей с учетом отпора пород; В кн.:"Крепление и охрана горных выработок".Донецк, ДонУГИ. - 1968, сб. Jfe 46, с.112-122.

8. Глушко В;Т;, Сивко В.И., Мещеряков А.В, 0 взаимодействии крепи и боковых пород в подготовительных выработках; В кн.: Вопросы теор; и эксперим. реологии горных пород, Вып.З, Киев, Наукова думка Д974, с; 19-27.

9. Лехницкий С.Г. Определение напряжений в упругом изотропном массиве вблизи вертикальной цилиндрической выработки круглого сечения.- Изв. АН СССР, ОТН. 1938, № 7, с;69-76;

10. Чеботаев B.BI, Лыткин B.AJ, Фотиева Н.Н. и др. Определение нагрузок на крепь по измеренным деформациям. В кн.:Устойчив ость и крепление горных выработок. 1976, Вып? П. - с .108-115^

11. Весков М;И. Определение несущей способности и податли -вости крепи горных выработок при структурно нарушенных горных породах. * В кн.: Науч.сообпцИГД им.А*А;Скочинского#Я971,86» с.5-9.

12. Максимов А.П., Немчин Н.П., Рева С.Н., Бабич.А.Б. К вопросу выбора рациональных параметров крепи; В кн.: Исследова*» ния проявлений горного давления на глубоких горизонтах шахт^Л., 1971, с. 100-1032

13. Ващилин В.А., Протосеня А.Г. йсчет горного давления на крепь горизонтальных выработок, пройденных в слабых породах. -В кн.: Современные вопросы шахтного строительства.- Л.,1971,с.3-8.

14. Глушко В.Т.,Гавеля С.П., Котенко А.Д. и др. Расчет напряженно-деформированного состояния упругого массива с конечным числом неоднородностей,- В кн.:Механика-и разрушение горных пород. Киев: Hayк,думка,1976, Вып.З, с.3-10. »

15. Айталиев Ш.М., Масанов Ж.К. К расчету устойчивости штреко-образной выработки в поле тектонических напряжений,- Каз.ССР Тылым. Акад.хабарлары. Изв.АН КазССР Сер.физ.-мат.,1976, $ 5,с. 53-56.53. оСсЫгьсь c&ZdXsteJA^Zg uz. /tzzszjl

16. Кошелев К.В., Трумбачев В.§. Повышение устойчивости капитальных горных выработок на больших глубинах. М.: Недра, I972.-I27 с.

17. Кузнецов Г.Н. О механизме взаимодействия боковых пород и крепи в очистных выработках пологопадающих угольных пластов.- В кн.: Исследования горного давления применительно к механизированным крепям. М.: 1954, с.78-112.

18. Ержанов 1.С. Теория ползучести горных пород и ее приложение. Алма-Ата: Наука,1964.- 173 с.57; Ержанов Ж.С. и др. Устойчивость горизонтальных выработок в наклонно-слоистом массиве. Алма-Ата: Наука,1971.-1б0 с.

19. Протосеня А.Г., Черников А,К. Напряженно-деформированное состояние массива вокруг выработок различного очертания при наличии нелинейного упрочнения. В кн.: Горное давление в капитальных подготовительных выработках. - Новосибирск,1979, с.3-10.

20. Амусин Б.З., Барях А.А. Учет ползучести бетона при расчетах нагрузок на крепи горных выработок. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых,1981, № I, с.24-26.61. 2. Же,сосЖ. с&^О^^тгаМ'о^ь otl tAz*emaywUcOTL Clud^Q^, J&OTTbUlA. Я.,

21. Либерман Ю!М! Напряженное состояние монолитной бетонной крепи! Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1971, № 3, с.16-18.

22. Работнов Ю.МJ Равновесие упругой среды с последействием. Прикладная математика и механика, 1948, ХП, № 1у с.8-13;

23. Зорин А.Н., Розовский М.И; Метод расшифровки иррациональной функции интегрального оператора. Проблемы механики,' 1965, I, вып. 9, с. 15-19.

24. Либерман Ю.М.,Шарова И.Г., Зорин А.Н, К вопросу опре -деления напряженного состояния крепи выработок, расположенныхв крепких выбросоопасных породах. В кн.: Внезапные выбросы на больших глубинах. К.: Наук.думка,1979, с. 152-154,

25. Глушко В.Т., Долинина Н.Н., Розовский М.И. Устойчивость горных выработок. Киев. Наук.думка,1973.- 206 с.

26. Амусин Б.З, Расчет взаимодействия крепи подземных выработок некругового очертания с неоднородным вязко-упругим массивом горных пород, Физико-технические проблемы разработки по -лезных ископаемых,1979, № 2, с.100-102.

27. Либерман Ю.М. Аналитическое исследование проявлений горного давления с учетом фактора времени. Автореф.дис.канд.техн. наук.-М.,1958.~16с.

28. Либерман Ю.М., Хаимова Малькова Р.И. Растягивающие напряжения в кровле выработок различной формы. - В кн.: Научные сообщения ИГД им.А.А.Скочинского.-1970, $ 72, с.3-12.

29. Сажин B.C. Определение перемещений в пластической области вокруг квадратной выработки. В кн.: Сб.тр.НИИ ин-та оснований и подземных сооружений Госстроя СССР. - 1970, $ 60, с.193-197.

30. Фотиева Н.Н^Напряженное состояние обделок напорных тоннелей эллиптической формы. Изв.ВНИИ гидротехники, 1971,97,'с. 214-221.

31. Фотиева Н.Н. О напряженном состоянии обделок тоннелей сводчатого сечения. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1971, № 4, с.19-22,

32. Фотиева Н.Н, Напряженное состояние обделки безнапорного тоннеля некругового очертания. Основания, фундаменты и механика грунтов, 1972, № 4, с. 18-21.

33. Фотиева Н.Н. Определение напряжений в обделках напорных гидротехнических тоннелей некругового очертания. Основания, фундаменты и механика грунтов,1972, № I, с.23-26.

34. Протосеня А.Г; Определение концентрации напряжений вокруг горной выработки; подверженной влиянию очистных работ! « В кн.: Математические методы в горном деле: Записки ЛГИ им.Г.В. Плеханова, т;ХП,< вып;3;

35. Ковтун Е.Д;, Шарова И.Г,, Парчевский Л;Я. и др. Опыт применения набрызг-бетона для крепления выработок в выбросоопасных породах Донбасса. В кн;: Внезапные выбросы на больших глубинах;- Киев: Шук;думка,Х979, с.156-158;

36. X06I Миренков В.Е^ К вопросу влияния неровностей контура выработки на напряженное состояние,- В кн.: Горное давление в капитальных и подготовительных выработках. Новосибирск: ИГД СО СССР,1981, с.104-109.

37. I. Попов В«Л., Каретников В.Н., Еганов В.М.: Расчет крепи подготовительных выработок на ЭВМ? М.: Недра, 1978 « 230 с;'