УДК 622.83

 

Мокрієнко В.М студент, Негрій С.Г., доцент, к.т.н. (ДоННТУ)

 

Визначення параметрів охоронних споруджень з компенсаційними порожнинами для забезпечення стійкості виїмкової виробки

 

Приведены результаты моделирования на моделях из эквивалентных материалов  по исследованию влияния основных параметров расположения охранных сооружений с компенсационными полостями в окрестности выработки на устойчивость почвы выработки.

 

Проблема устойчивости  выработок в условиях шахт Донбасса с каждым годом приобретает все большее значение, так как глубина работ постоянно растет и  как следствие выработки приходится поддерживать в слабых и неустойчивых боковых породах. Так, в 2000 году удельный объем перекрепления выработок на действующих шахтах Донбасса достиг 7,5 м на 1000 т добычи, а затраты труда на ремонт и поддержание выработок 565,2 чел-см на 1 км протяженности поддерживаемых выработок в год или около 50 чел-см на 1000 т добычи. На действующих шахтах при ежегодном росте протяженности выработок находящихся в неудовлетворительном состоянии на 2-3%, перекрепляется от 31,2% до 77,8% выработок, нуждающихся в ремонте. Применение комбинированной системы разработки на базе сплошной на многих шахтах Украины связано с проблемой обеспечения устойчивости почвы выемочных выработок за движущимся очистным забоем. При сплошных системах разработки часто не удается применять способы предотвращения пучения пород почвы на этапе проведения выработки, что связано с большой концентрацией работ на участке между подготовительным и очистным забоями и, как результат, наблюдаются значительные смещения пород почвы позади лавы и невозможность дальнейшей эксплуатации выработки без проведения подрывки. Проведение подрывки не уменьшает интенсивность пучения почвы, а наоборот даже усиливает и уже на протяжении нескольких десятков метров от места первой подрывки необходима повторная. Примером такой ситуации может быть ситуация в выемочных выработках по пласту m₃ шахты им. В.М. Бажанова [1]. Причина повторного пучения– это повышенное горное давление позади лавы. И предотвратить данное явление невозможно.

Обращаясь к многочисленным литературным источникам, легко обнаружить множество точек зрения на механизм деформации пород почвы выработки [3-6] и, что каждая из этих точек зрения применима для определенных горно-геологических и горнотехнических условий, так как механизмы этого процесса в тех или иных условиях разнятся. Тем не менее, всеобъемлющей теории объясняющей деформации пород в настоящее время нет.

 По нашему мнению, для уменьшения пучения пород почвы позади лавы необходимо перенаправить силы, выдавливающие эти породы в полость выработки. То есть интенсифицировать пучение пород, но не в выработке, а в выработанном пространстве. Для этого представляется возможным применение жестких  охранных сооружений с компенсационными полостями, в которых будет реализовываться пучение (рис. 2).

В нашем случае, площадь основания охранной опоры должна быть достаточной для сохранения устойчивости подстилающих ее пород, а ширина компенсационной полости– достаточной для потери устойчивости пород почвы полости и интенсификации в ней процесса пучения.

Поэтому, нами были проведены лабораторные исследования на моделях с использованием эквивалентных материалов, структурных моделях, по установлению оптимальных размеров охранных опор и компенсационных полостей между ними.

В качестве объекта исследования принято сечение воздухоподающего ходка  6-й западной  лавы уклонного поля  шахты им. В.М Бажанова.  Выбор данного сечения обусловлен проявлением в его облас­ти повышенного уровня горного давления, вызванного влиянием динамического обру­шения зависающих консолей основной кровли над выработанным пространством лавы, что подтверждено данными шахтных инструментальных наблюдений.[1-2 ] . Основные принципы моделирования методом эквивалентных материалов сво­дятся к замене толщи естественных горных пород искусственными материалами с соблюдением геометрического, кинематического и динамического подобия модели и на­туры. Для обеспечения механического подобия искомые материалы должны находить­ся в определенных соотношениях с физико-механическими свойствами реальных гор­ных пород. Эти соотношения определялись на основе общих положений теории подо­бия и метода размерностей. По данным о характеристиках механических свойств моде­лируемых пород для заданного масштаба модели и заданного отношения объемных ве­сов подсчитывались числовые значения соответствующих характеристик механических свойств материала модели. Подбор эквивалентного материала осуществлялся по известной методике Г.Н. Кузнецова [4]

 

Наблюдение и регистрация элементов изучаемых процессов деформации почвы  обеспечено применением плоской модели, позволяющей определить основные механические характеристики деформационного состояния моделируемого массива горных пород с конкретными физико-механическими свойствами. Соблюдение гранич­ных условий для двумерной задачи со стороны дна, верха и двух торцов модели обес­печивалось достаточным отступом от перечисленных поверхностей модели.

Для изготовления модели использовалась парафинопасчаная смесь. Масштаб моделирования принят 1:100, что позволило с достаточной точно­стью проследить процессы смещения моделируемых пород, исключить искажения, которые могли вносить габариты средств измерения. В результате проведения контрольных пробных опытов по подобранной рецепту­ре, с определением механических характеристик получаемых материалов, опытным путем были подобраны свойства моделируемых пород , соответствующие породам шахты «В.М. Бажанова». Разделителем между слоями служила молотая слюда. Геологические данные, использованные при моделировании сле­дующие: почва пласта —сланец песчаный крепостью f=4-6

Имитация сил горного давления достигалась путем приложения к верхнему тор­цу модели эквивалентной нагрузки с помощью пневматических баллонов, измеряемой протарированным манометром,  что обеспечило задание нагрузки с достаточной точностью.

Рассмотрим результаты моделирования. На рис. 1 приведено состояние модели до начала ее отработки  с установленными реперами для наблюдения за процес­сом сдвижения пород.

На рис. 2 приведена схема предлагаемого нами расположения жестких охранных сооружений с компенсационными полостями. На рис 3  приведен график  смещений пород почвы  в компенсационные полости  в зависимости от действующей нагрузки.

 

 

 

Рис.1.  Общий вид модели №1 перед началом ее отработки и схема размещения реперов в модели

 

 

 

Рис 2  схема способа,  где 1 – пластовая выработка, 2- компенсационная

Полость. 3 – искусственно создаваемое охранное сооружение.

Рис .4  График  смещений пород почвы  в компенсационные полости  в зависимости от действующей нагрузки.

Из проведенного эксперимента следует, что при  ширине опоры меньшей чем мощность пласта, происходит прокалывание почвы опорами и пучение не провоцируется , при ширине опоры равной мощности пласта провоцируется наибольшее пучение , при ширине опоры  равной двум мощностям пласта пучение не происходит . Это лишь начальный этап определения параметров расположения охранных сооружений с компенсационными полостями, в будущем необходимо проведения дополнительных исследований по данному вопросу.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.        Мартовицкий А.В., Скобенко А.В., Мякенький В.В. Экспериментальные исследования проявлений горного давления в капитальных и подготовительных выработках шахты им. В.М. Бажанова // Материалы междунар. науч.-практич. симпоз. “Современные проблемы шахтного и подземного строительства”.– Донецк: “Норд-пресс”, 2004.– Вып.5.–С.188-193.

2.        Мартовицкий А.В., Хозяйкина Н.В., Гапеев С.Н. Влияние шага обрушения основной кровли лавы на формирование напряженно-деформированного состояния в окрестности подготовительной выработки // Материалы региональной науч.-практич. школы-семинара “Прогрессивные технологии строительства, безопасности и реструктуризации горных предприятий”.– Донецк: “Норд-Пресс”, 2006.– С.209-215.

3.            Моделирование проявлений горного давления / Кузнецов Г.Н., Будько М.Н., Васильев Ю.И., Шклярский М.Ф., Юревич Г.Г.– Л.: Недра, 1968.– 280 с.

4.            Кузнецов Г.Н. Методы исследования проявлений горного давления в очистных выработках угольных пластов путем шахтных наблюдений и лабораторных экспериментов на моделях // Исследования горного давления.– М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по горному делу.– 1976.– С.179-192.

5.            Борисов А.А. Исследование вопросов горного давления методом объемных моделей // Исследования горного давления.– М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по горному делу.– 1976.– С.221-257.

6.            Методические указания по исследованию проявлений горного давления на моделях из эквивалентных материалов / М-во угольной промышленности СССР. ВНИМИ.– Л., 1976.– 85 с.

7.            Моделирование проявлений горного давления / Кузнецов Г.Н., Будько М.Н., Васильев Ю.И., Шклярский М.Ф., Юревич Г.Г.– Л.: Недра, 1968.– 280 с.

8.            Глушихин Ф.П., Злотников М.С. Эквивалентные материалы для моделирования горного давления / ЦНИЭИуголь.– М., 1978.– 34

9.            Гурдус А.В. Изучение причин вспучивания горных пород каменноугольной формации Донбасса и меры борьбы с этим явлением.– Харьков: ГОНТИ.– 1933.– 79 с.

 

10.       Цимбаревич П.М. Механика горных пород.– М.: Углетехиздат.– 1948.– 184с.