автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Разработка методов количественной оценки и прогноза надежности состояния подготовительных выработок

Министерство"'науки, высшей школы и технической политики Российской Федерации

ИЧЦПЙЧИ 14

Московский ордена Трудового Красного Знамени горный иститут

На правах рукописи ЕЛОВИЧ Александр Юрьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗА НАДЕЖНОСТИ СОСТОЯНИЯ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК

Специальность 05.15.02 — «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

I Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени горном институте.

Научный руководитель доц., канд. техн. наук ТЕРЕНТЬЕВ Б. Д.

Официальные оппоненты:

проф., докт. техн. наук КАТКО'В Г, А., доц., канд. техн. наук Ш!ИБАЕ)В Е. В.-

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

в . . . час. на заседании специализированного ученого совета К-053Л>2.02 в Московском горном институте по адресу: 117935, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан « . . . »....... 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Защита диссертации состоится

канд. техн. наук КОРОЛЕВА В. Н.

{

¿'¿^¡сиртаций

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современные средства комплексной механизации очистных ра'бог позволяют обеспечить высокие нагрузки на очистные работы. Так, в настоящее время около 35% лав Донбасса, разрабатывающих пласты пологого падения, работают с нагрузкой 1000 т/сут, а максимально достигнутые нагрузки на очистной за'бой более чем в 10 раз превышают средние по отрасли.

Тем не менее в последние годы в угледобывающей промышленности СССР существует тенденция снижения нагрузок на комплексно-механизированные забои, отрабатывающие пласты с углами падения до 35°: в 1975 г. среднесуточная нагрузка на очистной забой, оборудованный механизированным комплексом, составила 794 т/сут, в 1980 г.— 568 т/сут, в 1985 г. — 561 т/сут, а в 1990 г. — 537 т/сут. Аналогичная тенденция наблюдается и для всех очистных за'бо-ев, оборудованных как механизированными комплексами, так и индивидуальными крепями: в 1975 г. — 457 т/сут, в 1980 г. —384 т/сут, в 1985 г. — 370 г/сут, в 1990 г.— 355 т/сут.

За этот период более быстрыми темпами возросло влияние отрицательных внелавных технологических процессов, следующих за процессами технологического цикла в очистном забое. Основной причиной возникновения внелавных простоев является неудовлетворительное состояние участковых подготовительных выработок, вызванное ухудшением горногеологической обстановки с ростом глубины и увеличением протяженности подводящих путей.

Из данных ГВЦ б. Минуглепрома УССР следует, что участковые выработки с неудовлетворительным сечением при конвейерном транспорте составляют 42% от общей протяженности выработок с неудовлетворительным сечением. Потери добычи в Украинской части Донбасса за 1989 г. из-за неудовлетворительного состояния горных выработок составили 1<2-30 тыс. т или 43% от общих потерь и 68% от горно-эксплуатационных.

Отсутствие установленных количественных зависимостей изменения надежности подготовительных выработок в процессе их эксплуатации является причиной недостаточной точности существующих расчетных методов их пропускной способности. По этой же причине отсутствует оценка влияния различных планировочных решений сети выемочных выработок, способов их охраны и других мероприятий, направленных на улучшение состояния выработок и допускающих их ремонт, на уровень добычи, обеспечиваемый этими техническими и технологическими мероприятиями.

|В связи с изложенным вопросы выявления причин и степени снижения нагрузки на очистной забой из-за неудовлетворительного состояния горных выработок и повышения надежности и ремонтопригодности их являются актуальными для горнодобывающей отрасли.

Целью работы является исследование надежности и работоспособности подготовительных участковых выработок в зонах влияния динамического и статического опорного давления и степени влияния состояния горных выра'боток на параметры работы примыкающих очистных забоев.

Основная идея работы заключается в использовании зависимостей изменения смещений пород кровли и почвы подготовительных выемочных выработок при различных способах их охраны для определения надежности указанных выработок в пределах выемочного участка и в оценке влияния степени надежности выемочных выработок на эффективность работы механизированных очистных забоев.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна:

методики аналитических и экспериментальных исследований степени надежности подготовительных выработок в зоне влияния очистной выемки;

аналитические зависимости надежности подготовительных участковых выработок от изменения горно-геологических и технологических факторов;

классификация подготовительных горных выра'боток но степени их надежности и ремонтопригодности;

'классификация отказов горных выработок по степени их влияния на горнотехнологические процессы ,в шахте;

аналитические зависимости величины простоев очистных забоев от уровня надежности подготовительных выработок.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована:

значительными объемами исследований смещений контура подготовительных выработок при различных способах их охраны;

представительными хрономегражными исследованиями простоев и нагрузки на очистные забои на двух шахтных полях в различных горнотехнических условиях;

удовлетворительной сходимостью результатов теоретических расчетов надежности подготовительных горных выработок и вероятностью их отказов с шахтными данными аварийности в подготовительных выработках из-за выхода из строя крепи, повлекшие простои очистных забоев;

удовлетворительной сходимостью исследований надежности подготовительных выработок с хронометражными наблюдениями простоев транспорта в пределах выемочного участка по причине отказа выемочных выработок.

Научное значение работы заключается в установлении зависимостей влияния некоторых .горно-геологических и технологических факторов на надежность подготовительных участковых выработок и степени их надежности на нагрузку К'МЗ, которые могут быть использованы в качестве научного обоснования повышения эффективности ра'боты очистных забоев.

Практическое значение работы заключается в разработке рекомендаций по повышению надежности подготовительных выработок и совершенствованию способов их сохранения, использование которых позволит с наименьшими затратами обеспечить эффективное функционирование подготовительных выработок, уменьшить простои очистных за'боев и повысить нагрузки на лаву на предприятиях с аналогичными горногеологическими условиями.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработанная модель изменения надежности подготовительных выработок в зоне влияния очистных работ и нагрузки на КМЗ от надежности выработок внедрена на шахтах «Западная» и «им. 50-летия Октября» ПО «Гуковуголь» с экономическим эффектом 574,1 тыс. руб/год.

Апробация работы. Осно-вные положения диссертационной работы докладывались и были одобрены на техническом совете ПО «Гуковуголь», на Всесоюзной конференции «Пути улучшения состояния горных выработок» (Донецк, 1989 г.) и на научно-технической конференции молодых ученых (Кох-. тла-Ярве, 1989 г.).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 4 научных работы (1989—.1990 гг.).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы из 72 наименований и содержит 143 страницы машинописного текста, 17 рисунков, 13 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Вопросам надежности машин и систем посвящены многочисленные -научные исследования. Применительно к надежности угольной шахты как системы исследовались отдельные ее звенья, такие, как горная выра'ботка, комплекс добычных и транспортных машин и т. п.

В горных выработках исследовалась надежность крепи или ее элементов, чго не может полностью определять надежность выработки как подсистемы общей системы «шахта».

Из анализа предыдущих исследований по надежности шахтных систем следует вывод, что горную выработку необходимо рассматривать как подсистему, которая обладает своими звеньями качественными и количественными, характеризующими крепь, состояние пород, способ охраны и т. п.

Исходя из поставленной цели решались следующие задачи:

1. Выбор комплексного количественного | критерия, который позволил бы суммарно оценивать текущее состояние подготовительной выработки.

2. Исследование направления и степени влияния природных и горнотехнических факторов на функциональную надежность подготовительной выработки.

3. Разработка математической модели надежности подготовительной -выработки.

4. Разработка методики прогнозирования состояния подготовительных горных выработок в зависимости от способа охраны, расположения, назначения и состава вмещающих пород.

5. Исследование влияния состояния выемочных подготовительных выработок на работу очистных забоев.

6. Моделирование процесса определения надежности подготовительных выработок.

7. Разработка единой системы расчета, позволяющей прогнозировать величину временных потерь добычи по надежности выработок, определяемой по изменению площади сечения выработок и прочности пород.

При создании и исследовании математической модели подготовительной выработки комплексным критерием количественной оценки состояния выбрана вероятность события, заключающегося в достижении 'предельных, заранее заданных, деформаций крепи и почвы выработки:

/> = Я(5Ф>5Д), где 5ф — фактическая деформация сечения подготовительной выработки;

5 д — допустимая предельная величина деформаций сечений выработки.

Для разработки методики количественной оценки надежности применен метод анализа, в основе которого лежит построение «дерева отказов», из которого можно сделать вывод, что задача определения вероятности отказа сводится к нахождению вероятности отказа ее элементарных участков. Полученная зависимость для вычисления вероятности отказов подготовительной выработки будет иметь вид:

т. , т

к=п-\-\ к=п

где С}о—вероятность отказа подготовительной выра-

ботки;

N — общее число элементов выработки; т — максимальное число ее дефектных элементарных произвольно расположенных участков;

п — максимально возможное число смежных дефектных элементарных участков; q — вероятность отказа элемента выработки; р=( 1—д)—вероятность безотказной работы элемента выработки.

Под элементом выработки понимается контур выработки, включающий одну незамкнутую крепь и почву.

Схема формирования отказа дозволила разработать рас-четно-экспериментальную модель надежности подготовительных выработок, которая учитывает смещения их контура под действием горного давления, время па восстановление работоспособности выработок при заданной трудоемкости восстановительных работ, а также учитывать общую дефектность и ее влияние на надежность выработки.

На базе модели надежности выработки разработана ¡программа расчета количественного состояния выработки, а также прогнозирования их состояния в зависимости от способа охраны, расположения, назначения выработки и состава вмещающих пород.

Для подтверждения теоретических представлений о влиянии надежности выработок на показатели работы выемочных участков были произведены натурные наблюдения за состоянием выемочных штреков, анализ технико-экономических показателей добычных участков и произведен корреляционно-регрессивный анализ данных натурных исследований на шахтах ПО «Гуковуголь».

Эти исследования показали, что:

изменения сечений конвейерных штреков существенно меняются за время их эксплуатации и в значительной степени зависят от технологии отработки выемочного участка: способа охраны, порядка отработки выемочного поля (столба)

и т. д. Уменьшение сечений составляет >в зависимости от этих факторов до 40—50% от первоначального. Наименьшее снижение сечения штреков наблюдается при способе охраны массив — органный ряд, тумбы БЖБТ;

длительность простоев транспортного звена на выемочном участке зависит от изменения сечений конвейерных штреков и пропорциональна снижению (увеличению) сечений. Длительность простоев по причине неудовлетворительного состояния штреков достигает 60% от общей длительности простоев на участке;

изменение нагрузки на очистной забой также тесно связано с изменением сечения конвейерного штрека н длительностью простоев транспортного звена. С увеличением сечения штрека количество простоев снижается при прочих равных условиях. Так, при сечении штрека 11,2 'М2 и при его уменьшении на 20,4% нагрузка на лаву снижается на 28%, а при сечении 13,8 м2 и уменьшении на 18% нагрузка на лаву снижается на 11,5%; в каждом конкретном случае существует оптимальное сечение транспортных выработок, позволяющее минимизировать расходы на поддержание и простои лав с одновременным сохранением уровня добычи.

В работе сделана попытка увязать изменение площади сечения выработки, ее надежность как транспортного звена в подсистеме выемочного участка с величиной простоев очистного забоя и нагрузкой на лаву. Разработанная номограмма представлена на рис. 1. В номограмме исходным параметром является площадь сечения выемочных выработок 5, которая изменяется от 5 до 25 м2. Для различного типа пород ((Тсж>120 МПа, стсж =75 МПа, стСж<30 МПа) во второй четверти номограммы приведены кривые относительного изменения площади сечения выработок 5, по которым определяется их надежность Р для тех же пород. Затем по надежности выработки для конкретного типа пород определяют относительное время простоев 6Т. Относительное изменение площади сечения штрека 65 определяется как доля снижения этого сечения в настоящий момент времени по отношению к первоначальному (проектному). При равной величине конвергенции пород относительное снижение сечения выработок будет тем выше, чем меньше первоначальная площадь сечения. Принципы пользования номограммой показаны на рис. 2.

Расчет экономической эффективности повышения надежности транспортных участковых выработок может быть осуществлен косвенным образом путем определения экономического эффекта за счет снижения простоев очистного забоя и увеличения при этом нагрузки на лаву. Повышение надежности выемочных штреков позволяет сократить время простоев очистных забоев и увеличить чистое время работы на

на 12—18 мин в сутки, что дает прирост нагрузки на забой 30—50 т/сут.

Экономический эффект от внедрения разработанных рекомендаций за счет увеличения нагрузки на очистной забой по шахте «50 лет Октября» составил 574,1 тыс. руб. в год.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Елович А. Ю. Обоснование выбора критериев надежности подготовительных выработок: Материалы всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых в Кохтла-Яр-

, ве. — Кохтла-Ярве, 1989'.

2. Терентьев Б. Д., Елович А. Ю. Обоснование методов -количественной оценки состояния подготовительных выработок: Материалы научно-технического совещания «Пути улучшения состояния горных выработок». — Донецк, 1989.

3. Терентьев Б. Д., Елович А. Ю. Вероятностный подход к оценке состояния подготовительных выра'боток. В сб.: Перспективы развития технологии разработки угольных месторождений. — М.: ,МГИ, 1990.

4. Елович А. Ю. Оценка влияния горнотехнических факторов на функциональную надежность подготовительной выработки.— В сб;: Перспективы развития технологии разработки угольных месторождений. — М.: МГИ, 1950.

Подписано в печать 2.2.1992 г. Формат 60x90/16 Объем 1,0 п. л. Тираж 100 экз. Заказ № 827.

Типография Московского горного института. Ленинский проспект, д. 6