автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Разработка методов поддержания выемочных штреков в условиях активного проявления горного давления при их повторном использовании

РГ6 00

- •? Г'.дп ЩП'Э

| ¡¡.»а Iи^^

Министерство науки, высшей школы и технической политики

Российской федерации САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЕЙ ИНСТИТУТ им. Г. Е ПЛЕХАНОВА . (технический университет)

На правах рукописи

Щипанов Павел Вячеславович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОДДЕРЖАНИЯ ВЫЕМОЧНЫХ ШТРЕКОВ В УСЛОВИЯХ АКТИВНОГО ПРОЯВЛЕНИЯ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ ИХ ПОВТОРНОМ ИСПОЛЬЗОВАНИИ

Специальность 05.15.02 - "Подземная разработка месторождений полезных ископаемых"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата техкических наук

Санкт-Петербург 1993

Работа выполнена в Санкт-Петербургском горном институте им. Г. а Плеханова.

Научный руководитель: доктор технических наук, про(Ьессор

Ковалев Олег

Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ардашев

Константин

Аркадьевич

кандидат технических наук, доцент

Долгий .Иван

Емельянович

Ведущее предприятие - государственный институт проектирования шахт "ГИПРОШАХГ" г. Санкт - Петербург.

Запита состоится "19" марта 1993 г. в "Ф " час. " мин. на заседании специализированного совета Д. 063.15.01 в Санкт-Петербургском горном институте им. Г. В. Плеханова по адресу: 199026, г. Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, аудитория .

С диссертацией молю ознакомится в библиотеке института. Автореферат разослан ерг£ро*Я 1933 г.

Ученый секретарь специализированного совета проф. , д. т. н. /

3. И. Богуславский

Актуальность работы. Одной из основных задач в облас-п? раавития научно-технической базы угольной промышленности является повышение производительности труда Однако дакэ при полной автоматизации и механизации производственных процессов повышение эффективности работ угольных предприятий может быть достигнуто только при хорошем состоянии горных выработок. В Печерском угольном бассейне с увеличением глубины разработки до 400-600 метров заметно возрастает интенсивность проявления горного давления, ухудшаются условия поддержания подготовительных выработок. Охрана последних с помощью целиков угля шириной от 15 до 40 метров не всегда обеспечивает устойчивость выработки и, Солее того, ведет к большим потерям угля, к сокращение срока слуябы выемочных полей.

Различие горно-геологичоских и горно-технологических факторов, различная степень влияния условий поддержания под- . готовитольшх выработок на их устойчивости при эксплуатации угольных месторождений создает сорьсзшм трудности для использования яа шахтах Интинского месторождения результатов исслвдошшй, полученных в других бассейнах. •

Существующие методические предложения по выбору параметров технических мероприятий недостаточно учитывают специфику месторождений Печорского бассейна и потому создаваемые на их основе технические- решения, как правила не обеспечива-' : -: эффективную оЯраиу повторно испояьзувшх выработок. Методически недостаточно обосновано технические ранения, и отдельных случаях серьезно осложняют яоддеряшшв выработок, стимулируя пучение почвы или снижая устойчивость кровли.

Все это обуславливает необходимость проведения на шах- . тах Лечерского бассейна специальных исследований, целью которых явилось бы ж гальное изучение динамита боковых зон■ опорного давления и яарзмэтров лучения почвы яря различных способах охрани повторно йаполъауешх выработок с цэзью создания эффективной што, ути прогнозирования параметров охранных мероприятий.

Цель работы.

Разработка способа охраны подготовительных выработок, обеспечивающего безремонтное поддержание при повторном их • использовании, без целиков на границе с краевой частью массива.

Идея работы.

Пучение пород почвы в повторно используемых выработках определяется напряженно : деформированным состоянием комплексной системы "охранное сооружение - почва - краевая часть пласта кровля" и количественно зависит от параметров опорного давлейия в краевой части угольного пласта и прогиба кровли в этой зоне.

Методы исследований.

Дня решения поставленных в работе задач использованы: методы шахтных инструментальных наблюдений для получения информации о процессах смешений пород кровли и краевой части пласта; математическое моделирование на ЭВМ с привлечением методов теории упругости для получения качественной оценки величин смещения кровли и исследование параметров пучения почвы сохраняемой выработки при различных горно-технических условиях.

Научное положения, заздэдземыэ автором:

В результате исследования параметров пучения при различных способах охраны выработки установлено:

- охранные сооружения тага "игамя** шириной до 6 м привносят до 15% от общего объема пучения почвы выработки при наиболее широко используемых на практике способах охраны "массив - охранное* сооружение";

- величина пучения, почвы в выработке является функцией степени концентрации опорного давления ©в краевой части пласта и определяется положением максимума концентрации относительно кромки пласта; - .

'-величина концентрации опорного,давления и положение

т 5 - ■ '

максимума концентрации относительно кромки пласта зависит от деформационных характеристик охранного сооружения - его жесткости в комплексной системе "краевая часть пласта-поч-ва-кровля-охранное сооружение".

Достоверность и обоснованности научных положений и выводов, сформулированных в работе, подтверждаются :

- статистической представительностью результатов шахтных наблюдений и лабораторных исследований определяемой с использованием критериев математической статистики (Пирсона, Фишера, корреляционным анализом и др.);

.- значительным объемом шахтных инструментальных наблюдений, проведенных на 15 пологих пластах Интинского - бассейна, причем 1500 замерами смещений пород кровли и пласта угля выполнено в выработках,' охраняемых по гхеме "массив - выработанное пространство".

Научная новизна работы:

- анализ процесса пучения с высокой степенью достоверности в условиях несимметричного нагружения всех опорных элементов окружающих повторно используемую выработку методически должен включать: сопоставление величин деформации краевой части пласта, распределение и величины пригрузки со стороны кровли на охранное сооружение и краевую часть пласта с учетом ширины охранного сооружения;

- выявлена зависимость влияния каждого элемента комплексной '-истемы "кровля - почва - охранное сооружение - краевая часть пласта" на величину пучения почвы выработки, с учетом ширины охр; иного сооружения;

- сформулированы требования к охршшьаг сооружениям включатадие способность оперативно изменять жесткость соору-яения в широких пределах при комплексной работы системы "кровля-почва-краевая часть п£аста-охранное сооружение";

- рааработан алгоритм, позволяющий определить эйектив-ности применения. спс_оба охраны повторно используемой выработки, учи^ывашдий шшяниё параметров охранного сооружения

на величину пучения почвы и опускания кровли выработки.

Пра1стическая значимость. Результаты работы обеспечивают:

- повышение обоснованности принятия технических решений и эффективность бесцеликовой технологии за счет новых технологических и конструктивных решений, защищенных авторскими свидетельствами;

- безремонтное поддержание выработок, сохраняемых на границе массива и обрушенных пород, путем выбора параметров охранного сооружения, обеспечивающих минимальную концентрацию напряжений на кромке пласта.

Реализация результатов работы:

Результаты исследований и предложенные в работе техни-* ческие решения и рекомендации по выбору их параметров приняты к использованию в концерне "Интауголь" при вскрытие нижних горизонтов на шахте "Капитальная".

Апробация работы.

Основное содержание работы и ее отдельные разделы изло-.' мены на научно-технических конференциях в г. Санкт-Петербурге - Санкт-Петербургский горный институт - 1090-1991 гг, г. Иркутске - Иркутский политехнический институт - 1991 г; на технических совещаниях концерна "Интауголь". « В полном объеме диссертационная работа доложена на заседании кафедры подземной разработки месторождений полезных ископаемых Санкт- Петербургского горного института им.

. Г. Е Плеханова.

Публикации.

По результатам выполненных исследований опубликовано 1 печати 2 'статьи и лот-учено 2 авторских свидетельства

Структура и обьем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти рааде лов и заключения, изложена на 164 страницах машинописно!

текста. В работе содержится 37 рисунков, 7 таблиц и списка литературы представленного 97 наименованиями.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

К настоящему времени советскими и зарубежными учеными осуществлены многочисленные научные исследования и эксперименты, направленные на решение задачи безремонтного содержания повторно используемых выработок. 'Крупные научные работы в этом направлении, выполнены Бажиным EIL , Борисовым A.A., Черняком И. Л., Городничевым В. И , Динником А. Н, , Давидовичем И. Л , Зборщиком Н JL , Зубовым В. П., Сониным С. С. и многими . другими учеными.

Анализ патентной информации показал, что имеется множество технологических предложений по обеспечению безремонт- . ного содержания повторно используемых выработок. Однако к настоящему времени только отдельные из них нашли реальное . применение в горной промышленности. Практически все имеющиеся технологические решения имеют узкую область соответствия изменяющейся геомеханической ситуации в краевой части угольного пласта

Причина здесь кроется в недостаточной изученности процессов формирования и развития пучения почвы выработок в' различных горно-Геологических условиях.

В ГОчерском бассейне наиболее наиболее распространены системы разработки с с повторным использованием выемочных штреков. В этих условиях, отсутствие надежных эмпирических и аналитических методов протезирования геомзхшшческой обстановки имеет следствие недостаточную работе^ посоа-юсть конкретных технических cm тем, снижает их эффективность.

В 1986 - 1991 гг в СШГИ им. Г. Е Пдахачова был выполнен комплекс исследований с целью разработки прогнозного метода анализа напряженно-демаркированного состояния гордого массива в окрестностях выемочных штре:юв, используемых повторно, учитывающего взаимодействие всех злемс-ютз в скссш "крае-

вая часть пласта - почва - кровля - охранное сооружение".

Необходимость постановки указанной задачи основана на анализе горно-геологических и горно-технологических условий поддержания повторно используемых выработок в условиях Печорского бассейна, где в 70 % случаев в качестве охранного сооружения, обеспечивающего минимально необходимую охрану выработки, возводится органный ряд. Основным и общеизвестным недостатком органной крепи является ее крайне ниакаг. управляемость податливостью, что предопределяет возникновение проблем, привносимых в ситуацию жесткой крепью.

Для обеспечения управляемости охранного сооружения Пе-черНИИпроектом в свое время было предложено бурение скважин в почву пласта под органным рядом в сторону выработанного пространства с последующим взрыванием. Варьирование параметров взрывания позволяло в небольших пределах обеспечить управляемую податливость органного ряда Эффективность способа определялась возможностью управления параметрами разгрузочного взрывания.

Выполненные в СГОГИ теоретические исследования имели целью обобщение опыта научных исследований закономерностей проявления и распределения опорного давления в зоне влияния очистных работ, определение сравнительной значимости различных горно-геологических и горно-технологических факторов в формировании параметров пучения, а также обоснование выбора методики проведения шахтных и лабораторных экспериментов.

Шахтные исследования имели долью изучение динами!» опорного'давления в боковой аоно, для чего решались следующие задачи:

анализ строения пород кровли, прочностных свойств слоев, ее слагающих и параметров обрушения кровли на границе с выработанным пространством с целью разработки классификацм кровель угольных пластов Ялтинского месторождения, учитывающей раавичия во взаимодействии элементов системы "массив -кровля - охранное сооружение".

Дяя этого на станциях, оборудованных глубинными ролера-ми. исследовались процессы деформации пород кроили различны)

типов над краевой частью угольного массива:

- определение параметров боковой зоны опорного давления в краевой части массива в зависимости от строения кровли;

- выявление зависимости между параметрами охранного сооружения и величиной прогиба кровли пласта;

- установление параметров пучения повторно используемых выработок при различных способах их охрани.

Лабораторные исследования осуществляются численным моделированием методом граничных интегральных уравнений с целью:

- выявить общий характер деформации пород всех типов и • установление параметров опорного давления в его боковой зоне, (протяженность зон влияния очистных работ, концентрации напряжений в нижних сдоях кровли и т. п.) для каждого конкретного тина пород кровли;

- установить параметры функциональной зависимости величины и интенсивности лучения от распределения пригруаки со стороны подрабатываемых пород кровли;

- исследовать связь параметров боковой зоны давления в краевой части угольного пласта с параметрами пучения почвы охраняемой выработки;

- изучить влияние параметров жесткости охранного сооружения на величину и распределение пучения в охраняемой выработке; * '

- определить связь между деформационными характеристиками охранного, сооружения,:, краевой чагти массива и нагрузкой на крепь штрека.

В пределах Печерского бассейна кровли угольных пластов имеют широкий диапазон изменения соотношения типов слагающих пород: песчаников, аргиллитов и алевролитов. За основу классификации принята методика детерменирования пород предложенная ПэчерНИЙПрэектом. Это позволит повысить достоверность результатов натурных наблюдений, сделать правомерное сопоставление результатов исследования" по типам 'выедающих' пород применительно к задачам настоящей работы и работам Пе-черНШПроеюта. В результате кровли пластов были разделены-на

три класса:

1 тип - непосредственная кровля представлена слоистой толщей мощностью менее 2-х вынимаемых мощностей пласта, об-рушаящвйся вслед аа г.одвиганием крепи. Основная кровля представлена породами средней креиости, мощностью более 4-х мощностей пласта, склонными к зависанию над выработанным пространством с пролетами до 4.0 метров; ,

2 тип - породы непосредственной кровли обрушаквдиеся вслед аа подвиганием крепи имеют мощность более 2-х мощностей пласта, а основная кровля представлена толщей прочных пород мощностью более 2-х вынимаемых мощностей пласта. Породы непосредственной кровли, обруиаясь, почти полностью под-бучивают породы основной кровли, зависающие над выработанным пространством пролетами до 6.0 метро?-

3 тип - непосредственная и основная кровля представлены прочными породами суммарной.мощностью более 4.0 метров, которые зависают над выработанным пространством большими пролетами до 12 метров. Допускается возможность наличия в непосредственной кровле на контакте с угольным пластом пачки легко обрушающихся пород мощность до 1 метра, не пэдбучившо-щих кровлю. . :

Наблюдения эа проявлениями горного давления и повторно используемых выработках при ведении очистных работ для различных типов пород кровли позволило выделить три зоны, разделяющиеся по величине и скорости опускания пород кроЕли:

1 - подзона влияния опорного давления впереди очистного забоя; ■.■■'■

2 - подзона активных перемещений пород кровли;

3 - подзона устаясвиваихся перемещений пород кровли.

Наибольшие скорости опускания для первого типа кровли

были отмечены на расстоянии 5-7 метров после прохода очистного забоя, для второго на расстоянии 5-15 метров и для третьего на расстоянии 7- 20 метрси. Наибольшие скорости и • величины опускания кровли зафиксированы при 3-ем типе поро; кровли и охране выработки бутовой .полосой, , наименьшие - пр> 'первом типе пород и охране органным рядом.

Исследованиями параметров пучения почвы в зависимости от типа охранного сооружения (органный ряд, костры, бутозая полоса) было установлена тенденция к снижению общей величины пучения почвы при снижении жесткости охранных сооружений. Регистрируемое пучение почвы выработки, в солоставимых условиях по типу вмепщтаих пород, при бутовой полосе было меньше 1,5-2 раза, чем при охране органным рядом или литой полосой.

Для определения общих закономерностей взаимовлияния краевой части массива и охранного сооружения была составлена геомеханическая модель, предполагаются моделирование охранного сооружения прямоугольным штампом различной ширины. В ней были соблюдены геометрическое, силовое подобие и подобие упругих и деформационных характеристик вмещающей толщи порол. Расчеты проводились с помощью метода граничных элементов, Математическая модель учитывала упругие и деформациои- • ные характеристики пучащего слоя почвы и подстилающих его слоев. Усилия со стороны краевой части и охранного сооружения на некоторых участках били заменены моделирующими их пригрузками.

IIa первом этапе выявлена взаимосвязь между шириной охранного сооружения и параметрами пучения почвы выработки при различных вариантах погружения, упругих характеристиках и мощностях слоев почвы. В результате расчетов установлено, что охранное сооружения типа "штамп" сказышот влияние на параметры пучения почвы выработки при шрине более 6 метров и при любом распределении нагрузок на охранное сооружение и краевую часть пласта. В дальнейших расчетах для исключения влияния охранного сооружения как вдавливающегося штампа его ширина принята равной Л метра.

В результате дал- нейших исследований на численных моделях определена функциональная зависимость меэду шириной боковой аоны опорного давления в краевой части пласта и параметрами пучения почвы, .'{ля расчетов были исполлзованы данные натурных наблюдений за параметрами боковой ьояы при различных типах кровли пласта. Для 1-го типа кровли ш'.рина боковой

место когда действующие нагрузки на к^епь штрека в зоне, примыкающей к выработанному пространству приближаются к фоновым значениям;

- наиболее существенное снижение нагрузок на крепь в зоне, примыкающей к выработанному пространству достигается за счет увеличения несущей способности 'искусственных опор, возводимых вдоль штрека, при этом наиболее существенное снижение нагрузок на крепь будет иметь место в диапазон* увеличении жесткости искусственной опоры (от 3 до 10 мН/м. куб), дальнейшее увеличение жесткости искусственных опор приводит к снижению нагрузки не более чем на 5-10%.

Для определения эффективности применения способа охраны повторно используемой подготовительной выработки автором разработана методика. ' Блок-схема методики приведена на рис. 1. В качестве входных параметров используются прочностные и горно-геологические характеристики кровель угольного, почьы выработки и массива угля (блек 1). Далее расчитываются величины опускания кровли выработки (блок 2) и сравниваются с предельно допустимым значением (блок 3) по условию предельных напряжений в первом слое кровле. Если расчетное значение выше допустимого, увеличивается жесткость охранного сооружения (блок 4). В случае, если расчетное значение удовлетворяет заданному условию определяются нагрузки на крепь горной выработки (блок 5) и сравнивается с ее несущей способностью (блок 6). При превышении расчетным значением несущей способности крепи в действие вступают экономические критерии определения эффективности поддержания горной выработки. В этом случае возможно два варианта: увеличение жесткости охранного сооруэйения (блок 4); увеличение несуией способности крепи горной выработки (блок 7), Коли расчетная нагрузка на кроиь допустима по ее несущей способности, то следующим шагом определяется величина пучения почвы в горной выработке (блок

8). Полученное значение сравнивается с предельно допустимы» по условию аксп.чуатации оборудования в горной шработте к соответствии с "Правилами технической эксплуатации" (блок

9). Если условно не удовлетворено, то это значит, что но

Исследованиями параметров пучения почвы в зависимости от типа охранного сооружения (органный ряд, костры, Оутозая полоса) было установлена тенденция к снижению общей величины пучения почвы при снижении жесткости охранных сооружений. Регистрируемое пучение почвы выработки, в сопоставимых условиях по типу вмещающих пород, при бутовой полосе было меньше 1.5-2 раза, чем при охране органным рядом или литой полосой.

Для определения общих закономерностей взаимовлияния краевой части массива и охранного сооружения была составлена геомеханическая модель, предполагающая моделирование охранного сооружения прямоугольным штампом различной ширины. В ней были соблюдены геометрическое, силопое подобие и подобие упругих и деформационных характеристик вмещающей толщи пород. Расчеты проводились с помощью метода граяичкых элементов. Математическая модель учитывала упругие и деформацион- • ш.!о характеристики пучащего слоя почвы и подстилающих его слоев. Усилия со стороны краевой части и охранного сооружения на некоторых участках были заменены моделирующими их пригрузками.

IIa первом этапе выявлена взаимосвязь между шириной охранного сооружения и параметрами пучения почвы выработки при различных вариантах иагружения, упругих характеристиках и мощностях слоев почвы. В результате расчетов установлено, что охранное сооружения типа "штамп" сказывает влияние на параметры пучения почвы выработки при шриие бегее б метров и при любом распределении нагрузок на охранное сооружение и краевую часть пласта. В дальнейших расчетах для исключения влияния охраиного сооружения как вденливавдегося штампа его ширина принята равной 4 метра,

В результате дал- иейиих исследовании на численных моделях определена функциональная зависимость мелду шириной боковой зоны опорного давления я краевой чисти пласта и параметрами пучения почвы. Для расчетов были использованы дшшые натурных наблюдений за параметрами боковой ьоны при различных типах кровли ш.аета. Для 1-го типа кгсли-и им.-ша боковой

зона составила 2-4 метра, для 2-го типа - 5-6 метров, для 3-го - 8-10 метроЕ.

Проведенные исследования в этом направлении для охранных сооружении шириной менее 6 метров показали, что:

- параметры пучения почвы определяются распределение пригрузки над краевой частью пласта;

- величина пучения почвы в выработке определяется величиной концентрации опорного, давления над краевой частью пласта' и положением максимума концентрации относительно кроши пласта;

- управление параметрами пучения почвы выработки за счет изменения положения пика опорного давления возможно при мо,нуле деформации пучащэго слоя менее 1 ГПа.

В результате шахтпих зкспсримс лтов установлена взаимосвязь между деформационными характеристиками охранного сооружения и .величиной боковой зоны опорного давления при различных способах охраны »ыемсчных штреков (органным рядом, литой полосой, кострами, бутовой полосой). Установлено, что наименьшая ширина боковой зоны давления наблюдается при охране выработки "жесткими" охранными сооружения:м (органный ряд, литая полоса) и наибольшая при охране "нодатлишми" сооружениями (костры, бутовая полоса), при любых типах кровель.

На основе шахтных наблюдений и численного моделирования была получена зависимость, позволяющая прогнозировать параметры пучения почвы выработки при различных способах ее охраны:

: - ^С^Й»Г*- к°%- 0,2^(41-0.4(1)

где уН - нагрузка на пласт до приведения выработки, ЫГЬ; К - коэффициенты концентрации напряжений в зоне максимума над краевой частью пласта; Е - модуль деформации пучащего слоя, МПа; гп -'мощность пород пучащего слоя, м;

- ширина боковой зоны опорного давления в краевой части пласта, м; ^г ~ ширина охранного сооружения, м.

- 13 -

Полученное уравнение имеет сходимость с результатами натурных наблюдений с погрешностью, не превышающей 10 - 15 % в следующем диапазоне граничных условий: К - 1.. 5; Е- -25. .1000 МПа; ГП =0.5- Ни; ¿Н - 5.. 12 МПа; 2р = О.. 15 Ш; £г > г М.

Таким образом установлено влияние деформационных характеристик охранного сооружения на параметры пучения почвы выработки.

Использование конструкций охранных сооружений, по;:оля-юших оперативно менять свои деформационные' характеристик во времени, позволит создавать гесмеханические условия, при которых пучение будет минимальным.

Изменение деформационных характеристик краевой части пласта и охранного сооружения приведет к изменению вел"чин и распределения нагрузок на крепь повторно используемой выработки. Для выявления закономерностей формирования нагрузок на крепь повторно используемой выработки при различных деформационных характеристиках охранного сооружения и краевой части пласта были проведены дополнительные исследования.

Решение задачи производилось моделированием вариационными методами. Исследовался процесс формирования нагрузки на крепь повторно используемой выработки при различных компрессионных характеристиках краевой части пласта, охранного сооружения и крепи выработки. Деформационные и упругие характеристики, геометричесгсие размеры и пригрузка со стороны нижележащих слоев принята на основе шахтных наблюдений. В . результате моделирования установлено:

- процесс формирования нагрузок на крепь выемочных штреков в общем случае определяется характеристиками крепи, охранного сооружения и краевой части пласта;

- для "жестких" крепей выработки во всем исследованном диапазоне характеристик искусственных опор (от 3 до 30 мН/м. куб.), нагрузка на крепь в зоне, примыкающей к выработанному пространству превышает уровень действующих в "иевоз-мущенном" массиве напряжений;

- при поддержании штрека податливыми крепями имеет

место когда действующие нагрузки на к->епь штрека в зоне, примыкающей к выработанному пространству приближаются к фоновым значениям;

- наиболее существенное снижение нагрузок на крепь в зоне, примыкающей к выработанному пространству достигается за счет увеличения несущей способности 'искусственных опор, возводимых вдоль штрека, при этом наиболее существенное снижение нагрузок на крепь будет иметь место в диапазон* увеличении жесткости искусственной опоры (от 3 до 10 мН/м.куб), дальнейшее увеличение жесткости искусственных опор приводит к снижению нагрузки не более чем на 5-10%.

Для определения эффективности применения способа охраны повторно используемой подготовительной выработки автором разработана методика. ' Блок-схема методики приведена на рис. 1. В качестве входных параметров используются прочностные и горно-геологические характеристики кровель угольного, почт выработки и массива угля (блек 1). Далее расчитываются величины опускания кровли выработки (блок 2) и сравниваются с предельно допустимым значением (блок 3) по условию предельных напряжений в первом слое кровле. Если расчетное значение выше допустимого, увеличивается жесткость охранного сооружения (блок 4). В случае, если расчетное значение удовлетворяет заданному условию определяются нагрузки на крепь горной выработки (блок 5) и сравнивается с ее несущей способностью (блок б). При превышении расчетным значением несущей способности крепи в действие вступают экономические критерии определения эффективности поддержания горной выработки. В этом случае возможно два варианта: увеличение жесткости охранного сооружения (блок 4); увеличение несущей способности крепи горной выработки (блок 7). Если расчетная нагрузка на крепь допустима по ее несущей способности, то следующим вигом определяется величина пучения почин в горной вырабопсе (блок В). Полученное аиачение сравнивается с предельно допустимым по условию эксплуатации оборудования в горной выработке в соответствии с "Правилами технической эксплуатации" (блок 9). Если условие не удовлетворено, то это значит, что но

}) Зада та■ жесткость охранного сооружения

%) Определить опускание кроБди Увеличить шестк.ость охранного сооружения

нет

5) Опред е лить н»груа>ку «а крепь Ьы&л&отки Увеличить шестпкость крепи Ьырл^отдсц

пу с тимЗ^^^ 110 "Кельном нет

Ю Определить Ьеничиму Ц^КпРочнитв пученс/я пои&ы _поибу

нет

15) й>граи>иФо "ЬраеВую часть

12/ йъмерйгоь &г '/ии'1^ Кучени* поиьы

Рис. 1. Блок-схема методики выбора способа охраны выработки.

У ЗаЭать' «есшкосшь охранноао сооружения

Опре<Эелип;ь опускание кро&ли

У Увеличить н\есп>к.ость охранного сооружения

5) Определить НагрУЬКЧ на крепь ЬырзЯотки

1) Увеличить жесткости крепи Ъыр°-"5отк.и

Определить беличииу ЕТупрочмот«, пучения пои&ы поиву

«5У Й>4Ииднп1) -¿раеВую доски»

_10,1 "¿мерить скорость 1'и ЧемиА ''ПиЧЬМ

15) Корректировать моЪ ель

157измерить Вг ччих^

Кученил почьы

Рис. 1. Блок-схема методики выбора способа охраны выработки.

возможно ограничить величину пучения почвы выработки без применения специальных мероприятий по увеличению зоны раздавливания краевой части угольного массива (блок 15), и упрочнению почвы (блок 16). При удовлетворении расчетной величины пучения почвы выработки предельному значению величины пучения почвы заканчивается этап проектирования горной выработки с точки зрения способа охраны.

На этапе эксплуатации выработки производятся замеры скорости и величины пучения почвы (блок-10). Полученное значение скорости сравнивается с прогнозируемым (блок 11). В случае, если иьмеренное значение превышает расчетное, это свидетельствует о не адекватности расчетной модели горно-геологическим к технологическим условиям эксплуатации горной вырабс^ки. В блоке 13 производим корректировку расчетной модели и возвращаемся на блок 8. Если вновь вычисленная величина пучэния. почвы не удовлетворяет заданным критериям в' действие вступает экономические критерии выбора технических мероприятий:

- упрочнение почвы выработки (блок 14);

- увеличение зоны раздавливания краевой чьсти угольного пласта (блок 15);

подрывка почвы горной выработки.

Для удовлетворения полученных параметров крепи она н общем случае должна обладать высокой несущей способностью и возможностью оперативного регулирования своих характеристик в процессе эксплуатации горной выработки.

На основе анализа результатов полученных шахтными и лабораторными исследованиями в качестве охранного сооружения было предложено иеиольгозать пиевмобаллоиную кропь с частичным или полным заполнением ее водой. Крепь такого типа обладает рядом преимуществ по сравнению с другими видами крепи:

- обеспечивает равномерное распределение нагрузки на значительную опорную поверхность . что предотвращает смятие, "топтание" и разрушение перед крепли;

- яв^яехея надежной оградительной крепью и не разрушается под ударами падающих кусков угля и породы;

- 17 -

- обладает возможностью многократного использования;

- изменением соотношения вода-воздух регулируется рабочая характеристика, при этом предельная несущая способность определяется жесткость резико-кордовой оболочки.

На основе использования механизированных крепей и крепей на основе мягких оболочек были разработаны технологические схемы поддержания повторно используемых выработок. Эти схемы защищены авторскими свидетельствами.

Водозаполненная баллонная крепь используется как средство замены органной крепи при управлений процессами обрушения в системе "органный ряд - выработанное пространство". Баллонную крепь устанавливают вдоль выработки со стороны выработанного пространства. Число баллонов в ряду определяется в зависимости от типа пород кровли и необходимой ширины зоны раздавливания краевой части расчитанной по приведенной методике.

Монтаж крепи начинают со сборки деревянного основания и установки на нем баллона, затем к баллону присоединяют трубопровод и заполняют его водой. Давление в баллоне контролируют с помощью манометра Ш мере подвигакия очистного забоя производят сборку и установку следующего ряда баллонов. ПО мерс набора полной расчетной длины баллонного ряда баллоны установленные первьзд, извлекаются.

Передвижка крепи осуществляется при односменном сня-'' тие распора со всех баллонов одного ряда и перемещением его к очистному забою.

Использование водозаполненной пкевмобпллонней кропи в сочетании с органным рядом позволяет на относительно коротком расстоянии от очистного забоя сформировать попу обрушения зависающей консоли пород непосредса .енног и основной кровли и улучшить условия поддержания виомочного штршеа, а такта сократит;, расходы леса на возведении оргташой крапи оа счет уменьшении о трех рядог до одного.

С А КЛЮЧЁНИЕ

В результате выполненных аналитических, лабораторных и шахтных исследований, технике экономического анализа, обобщение практики поддержание повторно-используемых выработок сформулированы научные и практические результаты исследование, заключающиеся в следующем: '

1) в отличие от существующих подходов повышения устойчивости выработки • разделяемых на две части: раздельно рассматриваются вопросы управления кровлей и вопросы, связанные с управлением параметрами пучения; обоснована необходимость и возможность рассмотрении прогиба кровли и пучения почвы выработки как функции от общего ДЦС массива;

■2) установлено, что тип пород кровли влияет на параметры .боковой зоны опорного давления. Ширина боковой зоны для различных типов пород кровли лежит в следующих пределах: для 1-го типа пород кровли 5-6 м, для 2-го типа 8-10 м и для 3-го типа 12-14 м; .

3) выявлена зависимость параметров пучения почвы выработки от ширины охранного сооружения типа "штамп", геометрических и деформационных характеристик почвы выработки, условий нагружения и параметров краевой части массива;

4) установлено, что при ширине охранного сооружения менее 6 м определяющим в параметрах пучения почвы является распределение цригрузки только над краевой частью пласта, а при ширине охранного сооружения более 6м- любое распределение пригрузки со стороны кровли на опорные элементы "краевая. часть - охранное сооружение", рассматривая последнее как полубесконечный "штамп";

5) при ширине охранного сооружения менее б м параметры пучения почвы в выработке определяются деформационными характеристиками охранного сооружения, возводимого вдоль выработки; при »реально возможных жесткостях'охранного сооружения привносимая доля от него в величину- пучения почвы выработки но превышает 152;

- 19 - •

6) управление параметрами пучения почвы выработки аа счет изменения параметров боковой зоны опорного давления возможно при модуле деформации пучащего слоя не более 1 ГПа;

7) в повторно используемой выработке, вне зависимости от типа крепи нагрузка на последнюю в пределах пролета распределяется неравномерно и зависит от величин и соотношений пригрузок на краевую часть и охранное сооружение, существую; щий эксцентриситет нагружения направлен в сторону более податливого элемента системы;

8) разработана методика определения эффективности применяемого способа охраны подготовительных выработок по фактору обеспечения максимально допустимой величины пучения выработки;

9) обоснована возможность применения пневмобаллонной крепи в качестве охранной крепи в зоне активного проявления опорного давления, жесткость которой регулируется путем закачу в пневмобаллон контролируемого объема жидкости;

10) разработаны технологические схемы поддержания повторно используемых выработок па основе использования гидро-фицированных крепей и крепей из мягких оболочек, обеспечивающая технологическую эксплуатацию выработки. •

Основные научные результаты диссертации опубликованы .в следующих работах:

1. Ковалев О. В. , Антонов iL А. , Щипанов IL Е Аналитические методы расчета пучения пород з горных выработках // Физические процессы горного производства / Сб. Науч. трудов Ленинградского годного института. - 1992. - 7с. .

2. Щипанов JLR Исследование процесса пучения в выработках расположенных в краевой части массиз-а / ЛГИ. - Л.,. 1991. - 14 с. - Деп. в ЦНТИУголь 25.07.1991, 80-ГД. 1991.

3. Ковалев О.а, Антонев A.A., Щипанов П.В. A.C. 16Fej725 Способ возведения бутовой полосы. - 30.07.91. БИ 28.

4. Ковалев О.а, Антонов A.A., Щипаков НЕ A.C., 16123347 Способ охраны горной выработки. - 21.06.90. - Ей 12.

РТП С-ПГИ. 12.02.93. 3.36 т.80 экз. 199026, Санкт-Петербург, 21-я линия, 5