автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Совершенствование способов охраны повторно использумеых подготовительных выработок в зоне влияния очистных работ



На правах рукописи

л

-•л

Л'

АНДРОЩУК Николай Васильевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ ОХРАНЫ

ПОВТОРНО ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ОЧИСТНЫХ РАБОТ

Специальность 05.15.02 - Подземная разработка месторождений полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В.Плеханова (техническом университете)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор ЗУБОВ Владимир Павлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор БИЧ Яков Адамович

кандидат технических наук, доцент КОНОКОТОВ Николай Сергеевич

Ведущее предприятие: проектный инеппут «Ростовгипрошахт»

Защита диссертации состоится в час 1 &

шш на заседании дассертащюшюго Совета Д.Об/. 15.01 при Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199026, Санкт-Петербург, 21 линия, дом 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан 1997 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета д.т.н., профессор

Э.И.БОГУСЛАВСКИЙ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одной из основных задач в области создания и развития научно-технической базы общества является повышение производительности труда. В угольной промышленности эта задача может быть решена на основе дальнейшего повышения технической вооруженности и совершенствования организации труда. Однако даже при полной автоматизации и механизации основных производственных процессов существенное повышение

эффективности работы угольных предприятий может быть достигнуто только при технологически удовлетворительном состоянии горных выработок.

Проблема обеспечения устойчивости участковых подготовительных выработок в общем комплексе работ при современном состоянии шахтного фонда является одной из наиболее актуальных. Использование горных выработок повторно позволяет уменьшить число проводимых и одновременно поддерживаемых выработок, увеличить концентрацию горных работ и, следовательно, снизить относительные затраты на добычу полезного ископаемого.

При переходе горных работ на глубокие горизонты сохранить выработку для повторного использования, с применением используемых в настоящее время способов охраны, без ее ремонта или перекрепления в большинстве случаев не представляется возможным. Протяженность участковых повторно используемых подготовительных выработок на шахтах России, требующих полного или частичного восстановления, превышает 20 %, а в отдельных районах достигает 40 - 50% общей протяженности поддерживаемых выработок. На их ремонт ежегодно задалживается от 5 до 15% списочного состава подземных рабочих.

Неудовлетворительное состояние выработок и выполнение в них ремонтных работ отрицательно влияют на работу транспорта, ухудшают условия проветривания, снижают безопасность при ведении горных работ. Стоимость ремонтно-восстановительных работ во многих случаях соизмерима со стоимостью проведения новой горной выработки.

Из общего числа нарушений крепи подготовительных выработок 90 - 95% случаев наблюдаются в зонах влияния очистных работ. Вне зон влияния очистных работ крепи, применяемые в подготовительных выработках, как правило, работают без опасных деформаций в пределах всего срока службы.

Обзор существующих способов и средств охраны выработок на угольных шахтах РФ показывает, что большинство из них имеют ограниченную область применения из-за высокой стоимости и трудоемкости работ или недостаточной их эффективности. Некоторые способы охраны, показавшие высокую эффективность на зарубежных угольных предприятиях, на шахтах России вообще не применяются.

Так, использование литых полос из быстротвердеющих материалов в большинстве . случаев позволяет улучшить состояние участковых подготовительных выработок и обеспечивает возможность их повторного использования без ремонтно-восстановительных работ. Однако несовершенство применяемой технологии возведения полос, дефицит быстротвердеющих материалов и недостаточный опыт работающего персонала. привели к ситуации, при которой данный способ наугольных предприятиях России не используется.

Имеющиеся возможности механизации и автоматизации работ, связанных с возведением литых полос, их безопасность и невысокая трудоемкость объективно предопределяют перспективность этого способа охраны при отработке пологих пластов мощностью до 1.8-2.0 м.

Цель работы. Разработка способов охраны повторно используемых участковых подготовительных выработок литыми полосами из быстротвердеющих материалов, позволяющих обеспечить устойчивость этих выработок за лавой при бесцеликовой отработке тонких и средней мощности пологих угольных пластов.

Основная идея работы. Определение параметров литых полос необходимо производить с учетом отрицательного влияния нагрузки, создаваемой опускающимися породами кровли, на процесс набора прочности вяжущих материалов в начальные периоды их твердения.

В соответствие с поставленной целью основными задачами исследований являлись:

• установление характера и степени влияния основных факторов, определяющих устойчивость участковых подготовительных выработок, поддерживаемых на границе с выработанным пространством;

• исследование динамики смещений пород кровли в участковых подготовительных выработках за лавой;

• определение зависимости характера и степени набора прочности твердеющих материалов от времени затвердевания;

• разработка методики экспресс- оценки прочности твердеющего материала литых полос;

• определение влияния опускающихся пород кровли на формирование дислокаций и трещин в литой полосе в период ее затвердевания и набора начальной прочности;

• разработка методики определения параметров литых полос, учитывающей фактор негативного влияния опускающихся пород кровли на затвердевание материала;

• разработка мероприятий, предотвращающих влияние негативных факторов на эффективность способа охраны, основанного на возведении литых полос.

Методы исследований. Исследования выполнялись с использованием комплексного метода, включающего аналитические, шахтные и лабораторные исследования, а также анализ и обобщение работ предшественников.

Научные положения, защищаемые автором

1. Состояние участковых подготовительных выработок в период их повторного использования в значительной степени зависит от эффективности управления горным давлением на сопряжениях лав с этими выработками и компрессионных характеристик сооружений, возводимых для охраны выработок за лавой.

2. Конечная прочность твердеющих материалов, используемых для охраны участковых подготовительных выработок, существенно зависит от характера и интенсивности нагружения литых полос на ранних этапах твердения вяжущего материала опускающимися породами кровли в зонах максимальных смещений.

3. Оптимальные параметры способов охраны участковых подготовительных выработок за лавой с использованием литых полос необходимо определять с учетом места возведения и режимов их нагружения на ранних этапах твердения.

Достоверность научных положений и рекомендаций обоснована значительным объемом шахтных исследований (проанализированы данные о состоянии и объемах ремонтно-восстановительных работ в 110 участковых повторно используемых подготовительных выработках АО «Ростовуголь»), представительным количеством определений прочности образцов (более 140 испытаний), хорошей сходимостью результатов при этих лабораторных экспериментах.

Научная новизна работы.

• Установлены качественные и количественные зависимости изменения прочности вяжущих материалов от величины пригрузки на ранних этапах их твердения.

• Предложена математическая модель, позволяющая для конкретных горнотехнических ситуаций исследовать влияние величины пригрузки со стороны пород кровли на степень набора прочности вяжущих материалов на ранних этапах их твердения.

Практическая значимость.

• Разработана методика определения оптимальных параметров литых полос, позволяющая снизить трудоемкость работ и затраты на ремонт выработок при их повторном использовании, а также затраты на возведение литых полос на 15-20%.

• Разработаны технологические схемы охраны повторно используемых участковых подготовительных выработок, позволяющие расширить область экономически целесообразного использования литых полос и создающих объективные предпосылки для обеспечения безремонтного поддержания выработок за лавой.

• Обосновано, что в условиях шахт АО «Ростовуголь» применение способов охраны участковых подготовительных выработок литыми полосами, экономически оправдано в условиях более чем 60% шахтопластов.

• Установлено влияние фактора времени на прочностные характеристики твердеющих материалов, определяющих параметры литых полос при различных схемах их возведения.

Реализация результатов работы. Выводы и рекомендации использованы в проектах реконструкции глубоких шахт АО "Ростовуголь" и АО "Гуковуголь", выполняемых институтом "Ростовгипрошахт", а также при решении оперативных вопросов, связанных с выбором способов охраны участковых подготовительных выработок на действующих шахтах.

Личный вклад автора. Сформулированы цель и задачи исследований, разработана методика проведения шахтных и лабораторных исследований, предложены технологические схемы возведения литых полос и методики определения их параметров.

Апробаиия работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научных конференциях молодых ученых Санкт-Петербургского государственного горного института им. Г.В.Плеханова (технического университета) «Полезные ископаемые

России и их освоение» (1996, 1997 гг.), семинарах кафедры РПМ СПГГИ (ТУ), технических советах шахт АО "Гуковуголь".

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 3 статьях. По результатам работы получено решение о выдаче патента и поданы две заявки на изобретение. Результаты работы вошли в годовые и заключительные отчеты по НИР.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы из 58 наименований и двух приложений. Изложена на 152 страницах машинописного текста, и содержит 24 рисунка, 11 таблиц.

В первом разделе проанализировано современное состояние проблемы обеспечения устойчивости повторно используемых участковых подготовительных выработок, сформулированы цель и задачи исследований. Во втором разделе выполнен анализ состояния и объемов ремонтно-восстановительных работ в участковых подготовительных выработках шахт АО «Ростовуголь». Произведена оценка состояния и перспективы совершенствования применяемых на шахтах АО «Ростовуголь» технологических схем. В третьем разделе приведены результаты исследований процесса взаимодействия искусственных охранных сооружений с боковыми породами. Проанализирована динамика опусканий пород кровли в зонах интенсивных проявлений горного давления. Исследовано влияние нагрузок, создаваемых опускающимися породами кровли на процесс набора прочности материала литых полос в начальный период твердения. В четвертом разделе приведены рекомендуемые технологические схемы способов охраны повторно используемых подготовительных выработок и предложена методика определения их параметров. В пятом разделе дается технико-экономическое сравнение предлагаемых и традиционных технологических схем возведения охранных сооружений из быстротвердеющих материалов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях.

1.Состояние участковых подготовительных выработок в период их повторного использования в значительной степени зависит от эффективности управления горным давлением на сопряжениях лав с

этими выработками и компрессионных характеристик сооружений, возводимых для охраны выработок за лавой.

Устойчивость подготовительных выработок предопределяется многими горнотехническими факторами, в частности, способами их охраны и видами применяемой крепи, схемой подготовки и системой отработки пласта.

Для анализа эффективности использования способов охраны горных выработок и определения их основных параметров и условий работы важное значение имеют знания о скоростях и величинах смещений вмещающих подготовительную выработку пород за весь период ее существования. С целью изучения этого вопроса были обобщены и проанализированы результаты шахтных исследований указанных процессов, выполненные различными исследователями.

Динамика величин и скоростей смещений пород в подготовительных выработках в общем случае может быть проиллюстрирована графиками, представленными на рис. 1.

Участковую подготовительную выработку в зоне активного влияния очистных работ можно разделить на три участка, отличающихся интенсивностью деформирования вмещающих пород на контуре сечения выработки:

1.Участок впереди очистного забоя (зона влияния динамического опорного давления лавы).

2.Участок сопряжения лавы с очистным забоем и непосредственно позади него (зона интенсивных опусканий кровли, связанных с выемкой пласта).

3.Участок, охраняемый для повторного использования, позади очистного забоя (зона влияния статического опорного давления лавы).

Впереди лавы величина деформаций участковой подготовительной выработки незначительна. Начало влияния переднего фронта опорного давления очистного забоя на состояние выработки отмечено на расстоянии 20-100 м и зависит от характеристик охранного сооружения, физико-механических характеристик вмещающих пород и глубины ведения горных работ. В условиях шахт АО «Ростовуголь» на этом участке величина конвергенции в выработке, как правило, не превышает 50-100 мм (5-15% всех смещений) и не оказывает существенного влияния на технологическое состояние штрека.

Рис.1, Графики величин (Ц) и скоростей (V) сближение пород кровли и почвы выработок при различных способах охраны.

Наиболее подвержены деформациям участки выработки, примыкающие к лаве и расположенные непосредственно позади очистного забоя на расстоянии до 20 м. Практически во всех случаях максимальные скорости смещений вмещающих пород в выработке находятся в створе лавы или на небольшом расстоянии позади него. На этом участке скорости сближения пород кровли и почвы достигают 30-70 мм/сут, а величина сближения - 500 мм. Здесь же реализуется примерно 25-50 % величины суммарных смещений в выработке за весь срок ее существования.

Значительные смещения пород в пределах рассматриваемого участка обусловлены в основном выемкой пласта полезного ископаемого и перестановкой ножек арочной крепи штреков. Следует отметить, что ощутимого прироста опорного давления на этих участках не наблюдается.

Применяемые в настоящее время способы охраны повторно используемых выработок на основе податливых ограждений (бутовые полосы, костры, бутокостры) после установки практически не имеют начального распора и начинают противодействовать опусканиям пород кровли только после значительной усадки, достигающей 30-50 % от вынимаемой мощности пласта. Плавное опускание кровли на этом участке (до образования заколов над опорой) приводит к увеличению опорного давления, в результате чего и возрастает конвергенция пород в выработках.

Применение жестких конструкций на основе тумб БЖБТ в ряде случаев позволяет уменьшить опускания пород кровли в подготовительных выработках за лавами. Однако данный способ характеризуются высокой трудоемкостью, низким уровнем безопасности работ, что не позволяет отнести его к перспективным и, отвечающим требованиям современных поточных технологий угледобычи.

Широко применяемые за рубежом способы охраны выработок на основе использования полос из быстротвердеющих материалов, не получили распространения на шахтах стран СНГ несмотря на их высокую результативность. Такая ситуация сложилась в связи со сложной экономической обстановкой в России и странах ближнего зарубежья, а также из-за несовершенства применяемой технологии и высокой стоимости быстротвердеющих вяжущих. Прямой перенос зарубежного опыта на отечественные предприятия невозможен из-за различий горно-геологических условий и технологических особенностей российского производства. Так, средняя скорость подвигания длинных очистных забоев на шахтах ФРГ и Великобритании превышает 10 м/сут, на отечественных же угольных предприятиях она колеблется в пределах 2.5-5 м/сут. При таких темпах подвигания очистного забоя использование дорогостоящих быстротвердеющих материалов становится экономически не выгодно. Существующая же технология работ по возведению литых полос и методика расчета параметров охранных сооружений не позволяет использовать более дешевые твердеющие материалы, имеющие более низкую скорость твердения.

Кроме того, отсутствие специализированного оборудования для ведения закладочных работ при испытаниях данного способа на отечественных предприятиях явилось причиной высокой трудоемкости процесса возведения охранной конструкции и частых простоев лав из-за поломок техники.

На расстоянии 30-60 м позади лавы происходит снижение скорости конвергенции вследствие уплотнения охранного сооружения и полного включения его в работу. На этом же участке происходит облом породной консоли над охранным сооружением и снижение опорного давления в боку выработки со стороны угольного массива. После релаксации напряжений в породах вокруг выработки и установления равновесия системы «крепь — вмещающие породы — охранное сооружение», на расстоянии 60-80 м, происходит стабилизация деформаций.

Таким образом, наиболее ответственным участком в повторно используемой выработке является сопряжение данной выработки с первой отрабатываемой лавой, где происходит 25-50 % смещений, зафиксированных за весь срок существования выработки. Величина и скорости смещений пород на этом участке зависят от жесткости охранной конструкции и времени вступления ее в работу, т.е. от компрессионных свойств охранных сооружений.

2. Конечная прочность твердеющих материалов, используемых для охраны участковых подготовительных выработок, существенно зависит от характера и интенсивности нагруженш литых полос на ранних этапах твердения вяжущего материала опускающимися породами кровли в зонах максимальных смещений.

Работы по возведению охранных конструкций из твердеющих материалов при традиционной технологии производятся в зоне интенсивных деформаций пород кровли. При этом в результате воздействия на литую полосу нагрузок со стороны опускающихся пород кровли в период схватывания твердеющего раствора (особенно в начальный период после возведения полосы) в литой полосе возникают дополнительные трещины и другие дефекты, приводящие в конечном итоге к снижению ее конечной прочности. Не учет данного фактора при определении ширины литой полосы приводит к разрушению литых полос и невыполнению своих функций. При учете данного фактора минимально-необходимая ширина полосы значительно возрастает, что

приводит к увеличеншо расхода материала, а следовательно — и затрат на возведение охранного сооружения.

С целью определения степени влияния опускающихся пород кровли на изменение прочности литой полосы были проведены лабораторные исследования на моделях из эквивалентных материалов, основные результаты которых приведены на рис. 2. В качестве эквивалентного материала использовался раствор обычного и быстротвердеющего портландцемента. Аналогичная качественная картина получена при использовании строительного гипса.

На моделях производилось измерение прочностных и деформационных свойств твердеющего материала под воздействием изменяемой с течением времени пригрузки, величина которой изменялась по закону P=kRc', где к — коэффициент пригрузки, выбираемый из ряда (0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9) для серий эксперимента; Rj— прочность твердеющего материала на сжатие в текущий момент времени. Измерение свойств материала проводилось на промежутке времени - 72 часов, так как этот период является наиболее ответственным при твердении: здесь происходит схватывание раствора, образование кристаллических связей между микроэлементами и начальный набор прочности твердеющего состава. В этот период достигается 50-90 % марочной прочности вяжущего.

Для уменьшения трудоемкости прочность образцов твердеющего материала определялась методом ультразвукового прозвучивания.

При воздействии пригрузок на охранные конструкции из твердеющих материалов со стороны опускающихся пород кровли на ранних этапах твердения наиболее существенное влияние оказывают пригрузки величиной более 0.5Rc. При этом значительно снижаются прочностные характеристики твердеющего материала. Так, при пригрузке <тсж = 0. \RC прочность твердеющего материала на 3 сутки составляла 98 % от прочности материала, не подвергнувшегося воздействию пригрузок, при величине стсж = 0.7Rc прочность для того же момента времени составила 52 %, а при сгсж= 0.9Rc — всего 17%. Это связано с тем, что при возникновении напряжений в твердеющем материале при воздействии пригрузок со стороны кровли происходит развитие пластических деформаций и ползучести. Данные деформации при наступлении текучести материала, в целом не разрушая конструкцию, приводят к образованию дефектов на микро уровне —

разрыву кристаллических связей и образованию других дислокаций, что и снижает конечную прочность твердеющего материала.

Общая деформация моделей из твердеющих материалов практически прямо пропорциональна величине напряжений в материале (рис. 2д), что характерно для большинства горных пород. Таким образом, при анализе механизма разрушения и деформирования твердеющих материалов возможно применение аппарата, используемого в теориях упругости, пластичности и ползучести применительно к горному делу.

Воздействие пригрузок на ранних этапах твердения на процесс набора прочности математически можно описать следующим образом.

Представим набор прочности твердеющего материала как функцию скорости твердения состава. Среднюю скорость твердения за любой промежуток времени от ^ до /2 можно определить как

°я---ГТ7"" (1}

'2 Ч

где: /?(/г) - прочность твердеющего материала в моменты времени и соответственно.

Мгновенную скорость твердения в любой момент времени как

¿Я

= или иГ{ = , (2)

т

Пригружение твердеющего материала на промежутке времени Д/ на величину Асг приводит к изменению прочности материала на величину Д/?. Таким образом, на промежутке времени А( происходит изменение скорости твердения

Дц= Л/?(сх2) ДД(ст,) = А/?(ЛсО = сШ <1* М Л/ Дг Аг 'а

Тогда мгновенная скорость набора прочности ул=До(0./) с учетом изменения скорости твердения от величины пригрузки будет определяться по формуле

<т ¿я аа

и - — +----------С4)

Л а йч л к}

Я 36 43 Е|ИМ1 таврами чае

02 04 0,6 Ввгмм прмрузки

Рис. 2. Изменение прочности (а, б), скорости твердения (в, г) и деформационные свойства (д, е) твердеющего состава с течением времени при различных величинах пригрузки

В том случае, если твердение материала происходит без

йа

пригрузки (а=0) или без изменения величины пригрузки, то член —

ш

выражения (4) будет равен 0, а уравнение 2 будет частным случаем уравнения 4.

Для ситуации, когда известна зависимость изменения нагрузки на конструкцию из твердеющих материалов с течением времени ст =_/(/) приращение прочности за промежуток времени можно

вычислить по формуле

Полная же прочность твердеющего материала определяется по формуле 5 для промежутка времени от 0 до /.

Графическая интерпретация математических выражений представлена на рис. 3.

Величина набора прочности твердеющего материала АЛ за промежуток времени А/ будет определяться площадью, заштрихованной фигуры АВСОЕ. При приложении нагрузки а, в процессе твердения происходит снижение прочности твердеющего материала до величины Я°\ которая будет пропорциональна площади заштрихованной фигуры АВСРСЕ.

Чтобы воспользоваться вышеприведенными математическими выкладками необходимо иметь математическую зависимость вида К настоящему времени эта зависимость установлена в результате лабораторных исследований. В дальнейшем предполагается получение эмпирической формулы, имеющей высокую корреляционную связь с данными лабораторных исследований, что позволит упростить задачу определения параметров литых полос из твердеющих материалов.

Результаты эксперимента на моделях послужили основой для разработки двух способов охраны горных выработок, основанных на использовании литых полос из твердеющих материалов, лишенных недостатков традиционно применяемых способов охраны выработок. Кроме того, на их основе разработана методика определения параметров

'1

'2

(5)

литых полос при использовании традиционной технологии их возведения. Эта методика учитывает фактор пригружения литой полосы кровлей на ранних этапах ее твердения. Это позволило более обоснованно принимать технологические решения, а также расширить число вяжущих составов, которые могут использоваться для охраны горных выработок полосами из твердеющих материалов.

Рис. 3. Графическая интерпретация процесса твердения под влиянием

нагрузки

3. Оптимальные параметры способов охраны участковых подготовительных выработок за лавой с использованием литых полос

необходшю определять с учетом места возведения и режимов их погружения на ранних этапах твердения.

Как было показано выше, на процесс набора прочности твердеющих материалов существенное влияние оказывают нагрузки на полосу в начальный период ее затвердевания.

Возведение охранных конструкций из твердеющих материалов производится в зоне наиболее интенсивных опусканий пород кровли. Это приводит к тому, что опускающаяся кровля своим весом воздействует на материал литой полосы, чем вызывает образование в полосе дополнительных трещин, снижающих в конечном итоге несущую способность охранного сооружения. Величина нагрузок на литую полосу зависит от скорости опускания пород кровли позади очистного забоя и является функцией от целого ряда организационных и технологических факторов. К числу основных влияющих факторов относятся тип штрековой крепи и наличие крепи усиления, отставания места ведения работ по возведению полосы и числа рабочих смен по возведению, скорость подвигания очистного забоя.

В такой ситуации оптимальные параметры охранных сооружений зависят не только от горно-геологических характеристик вмещающих пород, но и от производственных показателей работы очистного забоя, технологических и организационных решений.

Так, существенное влияние на опускание кровли оказывает скорость подвигания очистного забоя. Установлено, что при увеличении скорости подвигания лавы, опускания кровли значительно снижаются. Это по видимому объясняется тем, что к моменту достижения предельных зависаний не успевают реализовываться пластические деформации горных пород. На интенсивность опусканий кровли позади очистного забоя влияют также анкерование кровли, тампонаж вмещающих пород и установка крепей усиления в выемочном штреке.

К числу факторов, оказывающих существенное влияние на параметры разрабатываемого способа охраны, относятся организация работ по возведению литых полос. Приближение места возведения литых полос к забою лавы позволяет выполнять работы в зоне менее интенсивных деформаций. Однако это требует, как правило, наличия опережающей ниши. При высоких темпах подвигания очистного забоя вновь возведенный участок литой полосы, не набравший достаточной прочности, оказывается на значительном удалении от забоя и подвергается интенсивному воздействию со стороны кровли. В этом

случае необходимо производить работы по возведению литых полос в каждую рабочую смену.

Наибольшее значение на оптимальные параметры способов охраны на основе литых полос оказывает вид и характеристики вяжущего материала. Применение дефицитных и дорогих быстротвердеющих составов приводит к значительным затратам на поддержание повторно используемой подготовительной выработки. Использование же более дешевого местного сырья не всегда возможно при применении традиционных способов охраны. Решение данной проблемы возможно при применении предложенного способа охраны горных выработок, основанного на возведении литых полос из твердеющих материалов впереди очистного забоя вне зоны опорного давления лавы и интенсивных деформаций вмещающих пород.

Технологическая результативность способов охраны, основанных на использовании литых полос из твердеющих материалов, зависит от ряда горно-геологических и организационно-технологических факторов. Причем, оптимальные параметры способов охраны для каждой технологической схемы могут значительно отличаться. Основная задача литой полосы заключается в обрезании над собой породного блока при недопущении собственного разрушения.

Наиболее существенное влияние на параметры охранных сооружений оказывают прочностные характеристики пород кровли. Нагрузка на литые полосы определяется весом зависшего консольно породного блока, опирающегося на охранную конструкцию, а размеры максимально зависшего блока зависят главным образом от прочностных свойств пород.

В конкретных горно-геологических условиях, ширина литой полосы будет зависеть от прочности ее материала к моменту вступления в полосы в работу. Прочность твердеющего материала определяется типом и характеристиками вяжущего состава и заполнителя, временем, прошедшим с момента затворения и режимом твердения. Под режимом твердения подразумевается микроклиматические условия (температура и влажность), величина и интенсивность нагрузок, особенно на ранних этапах твердения. Влияние нагрузок на процесс твердения материала литой полосы подробно описано в гл. 3.

Так как возведение полос может производиться с любым опережением очистного забоя, то твердение материала происходит без воздействия пригрузок на раннем этапе твердения и может продолжаться сколько угодно длительное время. Материал, к моменту

вступления в работу, уже имеет достаточную прочность для противодействия опусканиям кровли на сопряжении. Для этого способа охраны возможно использование любых вяжущих .материалов, которые обладают достаточной прочностью и могут применяться в шахтных условиях.

С целью снижения негативного влияния опускающихся пород кровли на процесс твердения материала литых полос был разработан способ охраны горных выработок, лишенный вышеперечисленных недостатков, который лег в основу первой предлагаемой технологической схемы. Сущность данной схемы загслючается в возведении литых полос из твердеющих материалов впереди очистного забоя вне зоны влияния опорного давления. Величина неснижаемого опережения места возведения литой полосы по отношению к забою лавы определяется из условия набора твердеющим материалом требуемой прочности, которая, в свою очередь, зависит от нагрузок на литую полосу со стороны опускающихся пород кровли за лавой. Предложены так же мероприятия, позволяющие в определенных горногеологических условиях уменьшить степень влияния негативных факторов на процесс твердения материала литой полосы при использовании второй технологической схемы, предусматривающей возведение литой полосы высотой меньше мощности пласта за лавой. Для традиционно используемой схемы предложена методика определения ширины полосы, учитывающая отрицательное влияние нагрузок на полосу в период ее твердения.

Окончательный выбор той либо иной технологической схемы определяется их технико-экономическим сравнением.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-исследовательскую работу, в которой предлагается новое решение актуальной научной задачи определения оптимальных параметров охранных сооружений из твердеющих материалов с учетом фактора негативного влияния опускающихся пород кровли на процесс набора прочности твердеющего материала на ранних этапах твердения.

Основные научные и практические выводы, сделанные в результате исследований, заключаются в следующем:

1.Состояние повторно используемых участковых подготовительных выработок при бесцеликовой технологии отработки пластов в большинстве случаев определяется тем, насколько эффективно решены вопросы управления горным давлением на сопряжениях лавы с данными выработками. Более чем в 80-90% случаев максимальные скорости смещений пород в выработках наблюдаются в створе с лавой или за лавой на расстоянии от нее, не превышающем 20 м. В условиях шахт АО «Ростовуголь» на указанном участке скорости сближения кровли и почвы выработки достигают 30-70 мм/сут, величины сближения - 500 мм, реализуется до 50% суммарных смещений за весь срок существования выработки.

2.Величины и характер деформирования пород кровли на участке ее максимальных опусканий за лавой определяются, главным образом, компрессионными свойствами охранных сооружений и величиной промежутка времени между обнажением кровли и моментом соприкосновения опускающихся пород кровли с полосой из быстротвердеющих материалов.

3.Одними из основных причин того, что способы охраны участковых подготовительных выработок, основанные на использовании литых полос из быстротвердеющих материалов, не применяются на шахтах стран СНГ являются: дефицит и стоимость быстротвердеющих материалов; низкая скорость твердения материалов, что при использовании традиционных технологий возведения литых полос приводит или к увеличению их ширины и расхода материала, или к разрушению полос горным давлением.

4.Несущая способность литой полосы в различные периоды ее существования зависит, в основном, от типа и характеристик вяжущего состава и заполнителя, времени, прошедшего с момента затвердения, и режима нагружения полосы опускающимися породами кровли на ранних стадиях твердения. Увеличение несущей способности литых полос при использовании известных твердеющих материалов и отсутствии внешних пригрузок происходит постепенно с достижением на 3 сутки - 30-50%, на 7 сутки - 60-80%, на 28 сутки - 90-100% номинальной несущей способности.

5.При воздействии пригрузок на охранные конструкции из твердеющих материалов на ранних этапах твердения наиболее существенное влияние на конечную прочность материала оказывают пригрузки величиной более 0,5ЛС. При этом значительно снижаются прочностные характеристики твердеющего материала. Так, при

пригрузке о = 0.1/?с прочность твердеющего материала на 3 сутки составляет 98% от прочности материала, не подвергнувшегося воздействию пригрузок, при величине ст = 0.7/?с прочности для того же момента времени составила 52%, а при о = 0.9/?с - всего 17%.

6.Разработан способ охраны участковых подготовительных выработок, основанный на возведении литых полос из твердеющих материалов впереди очистного забоя вне зоны опорного давления лавы и интенсивных деформаций вмещающих пород. Использование данного способа исключает воздействие пригрузок на литую полосу на раннем этапе ее твердения. Материал полосы к моменту ее пригрузки опускающимися породами кровли уже имеет достаточную прочность для противодействия опусканиям кровли на сопряжении. При реализации предложенного способа охраны возможно использование вяжущих материалов практически с любым временем их затвердевания.

7.Использование предложенного способа охраны участковых подготовительных выработок при бесцеликовой технологии отработки пластов в условиях АО «Ростовуголь» позволяет за счет уменьшения ширины полосы снизить на 20-35% расход твердеющего материала, а также уменьшить затраты на поддержание повторно используемых выработок в период их поддержания за первой лавой в 1.5-1.8 раза.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Андрощук Н.В. Влияние опускающихся пород кровли на процесс затвердевания материала литых полос при охране участковых подготовительных выработок. - Сборник трудов молодых ученых СПГГИ (ТУ). - Санкт-Петербург, 1997, изд. СПГГИ.

2. Андрощук Н.В. Состояние и перспективы использования литых полос из твердеющих материалов для охраны выработок. - Научная конференция молодых ученых СПГГИ (ТУ) «Полезные ископаемые России и их освоение». Тезисы докладов. - Санкт-Петербург, 1996, изд. СПГГИ.

3. Андрощук Н.В. Определение зависимости набора прочности вяжущих материалов с течением времени. - Научная конференция молодых ученых СПГГИ (ТУ) «Полезные ископаемые России и их освоение». Тезисы докладов. - Санкт-Петербург, 1997, изд. СПГГИ.