Реферат по теме магистерской работы

Введение

Основным направлением экономического развития Украины предусматривается увеличение добычи угля в усложняющихся горно-геологических условиях. Поэтому остро встает проблема безремонтного поддержания горных выработок. В большей степени это касается выемочных выработок, поддерживаемых в выработанном пространстве позади лав и подвергающихся интенсивным проявлениям горного давления от ведения очистных работ.

Поддержание выработок позади лавы, требует применения искусственных сооружений (бутовых полос, костров, бутокостров, органного крепления, железобетонных тумб, литых полос и др.), большинство из которых, кроме бутовой полосы, связаны с применением дорогостоящих материалов и старых технологий при изготовлении элементов охранных конструкций. Но и применение бутовых полос также не лишено недостатков, основными из которых являются: высокая трудоемкость работ по их возведению, высокая степень усадки, большой объем рядовой породы для ее сооружения и др. [2]

Потому разработка эффективных, безотходных и недорогих искусственных охранных сооружений, предусматривающих использование минимального объема рядовой породы совместно с ограничивающими элементами, является весьма актуальной задачей.

Актуальность

Эффективная работа шахт во многом зависит от устойчивости горных выработок, потому что неудовлетворительное состояние последних существенно сдерживает темпы ведения очистных и подготовительных работ. Так удельный объем перекрепления выработок на действующих шахтах Донбасса достигает 7,5 м на 1000т добычи, а затраты труда на ремонт и поддержание выработок около 50 чел.-смен на такой же объем добычи.

Анализ современных тенденций подземной разработки угольных пластов Украины позволяет сделать вывод о том, что с увеличением глубины ведения горных работ с 600 до 1000м удельный вес столбовой системы разработки уменьшился в 1,74 раза (с 68 до 39%) за счет увеличения доли комбинированной (с 19 до 20%) и сплошной (с 13 до 41%) систем разработки.

Рис.1 - Охрана штрека односторонней бутовой полосой

Таким образом, наиболее распространенной системой разработки является сплошная, которую в ближайшем будущем планируется заменить на комбинированную, и предполагающая повторное использование выработок с целью увеличения темпов подготовки выемочных столбов для отработки при одновременном уменьшении затрат на поддержание оконтуривающих выработок.

Вышесказанное указывает на то, что в настоящее время и в будущем более распространенными будут схемы отработки выемочных участков с поддержанием участковых выработок по очистным забоям, требующие применения искусственных сооружений для охраны подготовительных выработок.

Рис.2 - Охрана штрека двухсторонней бутовой полосой

Большинство существующих до сих пор способов охраны выемочных выработок имеют ряд недостатков, основным из которых является дороговизна их изготовления и установки.

Исключением может быть только применение бутовых полос, сооружаемых из рядовой породы. Но для данного способа охраны характерна высокая трудоемкость возведения и низкая эффективность с точки зрения поддержания выработок. Низкая эффективность данного искусственного сооружения обусловлена тем, что она не сразу после сооружения дает достаточное сопротивление опусканию кровли, а только после значительной усадки (до 60% от мощности пласта). [1]

Анализ известных способов охраны выемочных выработок искусственными сооружениями из рядовой породы показывает, что перспективными являются породные опоры с гибкими разделяющими прокладками, полосы из породных опорных элементов в оболочке. Применение разделяющих прокладок и оболочек обеспечивает высокую несущую способность охранного сооружения и ее податливость до 10-17% от мощности пласта.

В то же время, охранные сооружения должны выполнять не только поддерживающие и усиливающие функции, а также функцию направленного активного действия на окружающий массив для обеспечения устойчивости выемочных выработок. Для этого на основе выявленных закономерностей деформаций массива горных пород и пород в охранных сооружениях предусматривается разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий эффективного поддержания подготовительных выработок позади лавы на основе использования породных опор с ограничивающими элементами с учетом направленного использования горного давления.

Цель

Цель работы - разработка и внедрение эффективных, ресурсосберегающих и недорогих способов охраны выработок, предусматривающих использование рядовой породы и гибких разделяющих прокладок.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Обоснование целесообразности и преимущества использования способов охраны выработок с использованием рядовой породы и гибких разделяющих прокладок для поддержания выемочных выработок позади очистного забоя.
2. Геомеханическое обоснование возможности обеспечения стойкости выемочных выработок использованием охранных сооружений с гибкими разделяющими прокладками.
3. Лабораторные исследования способов охраны выработок, предусматривающие использование рядовой породы и гибких разделяющих прокладок.
4. Обоснование параметров охранных сооружений с гибкими разделяющими прокладками для обеспечения стойкости выемочных выработок для поддержания их позади очистного забоя.
5. Проведение шахтных испытаний новых способов охраны выработок с использованием рядовой породы и гибких разделяющих прокладок.

Практическая ценность

Разработка новых технологий охраны выемочных выработок породными сооружениями с гибкими разделяющими прокладками с учетом направленного использования горного давления позволит существенно снизить затраты на поддержание выработок, увеличить их устойчивость и тем самым обеспечить эффективную работу комплексно-механизированных очистных забоев глубоких шахт.

Лабораторные испытания

Моделирование – это воспроизведение характеристик некоторого объекта на другом объекте (на модели), специально созданном для их изучения [3]. Между моделью и объектом, интересующим исследователя, должно существовать необходимое и достаточное подобие.

Моделирование как метод научного исследования объектов познания очень широко используется в различных отраслях науки, в том числе и в горном деле. В определенных случаях методы моделирования достаточно эффективны, а иногда единственно возможны при исследовании натурных объектов, недоступных для непосредственного эксперимента [4]. Подобие между моделью и натурой определяется сходством функций осуществляемых моделью и исходной системой или сходством физических характеристик модели и моделируемого объекта, либо в тождестве математического описания поведения исходной системы и ее модели. В каждом конкретном случае модель может выполнить свою роль только в том случае, когда степень ее соответствия с исходной системой определена достаточно строго. Такое соответствие определяет теория подобия. Теория подобия определяет необходимые соотношения подобия (константы подобия), в соответствии с которыми при моделировании реальный натурный объект заменяется некоторой его моделью.

Рис.3 - Лабораторная модель в действии
(анимация выполнена в программе Adobe Photoshop, содержит 8 кадров, 7 повторов)

Для определения параметров охранных сооружений с гибкими разделяющими прокладками мы также используем моделирование. Для этого мы используем модели бутовых полос размерами 12см х 12см х 12см с рядовой породой внутри. В качестве гибких прокладок используем сетку с размером ячеек 0,5см. Лабораторная модель в действии представлена на рис.3. Был произведен целый ряд испытаний для моделей с разными размерами рядовой породы и сеткой с разными размерами ячеек. Были получены первые результаты, и они впечатляют. Но испытания все еще не окончены и идут в настоящее время.

Вывод

В результате выполнения работы будет произведено обоснование эффективных, ресурсосберегающих и недорогих средств охраны повторно используемых выемочных выработок искусственными породными сооружениями с использованием гибких разделяющих прокладок.

На данный момент работа находится на стадии разработки. Детальную информацию можно будет получить у автора (Павленко М.В.) или у руководителя работы (Касьяна Н.Н.) в январе 2011 года.

Исследования по теме в ДонНТУ

1. Касьян Н.Н., Ильин А.И., Иващенко В.Д., Хазипов И.В. Лабораторне испытания охранных сооружений с использованием породних стоек // Геотехнологии и управление производством ХХІ век.– Донецк: ДонНТУ.– Т.1.–2006.– С. 93-97.
2. Касьян Н.Н., Негрей С.Г., Сахно И.Г. Установление характера перераспределения вертикального давления в боках выработки в пределах зоны разрушенных пород // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: гірничо-геологічна. Випуск 111. Том 2 – Донецьк: ДонНТУ. – 2006. – С. 14-18.
3. Негрей С.Г. Обеспечение эксплуатационного состояния выемочной выработки в зоне временного опорного давления перед лавой / Материалы VIІI-й Международной конференции «VIІІ szkoła geomechaniki 2007». Гливице – Устронь. 16-19 сентября 2007г. – С. 111-118.
4. Касьян Н.Н., Негрей С.Г., Хазипов И.В.Лабораторные испытания опорных породных конструкций, сооружаемых с использованием гибких разделительных прокладок / Физико-технические проблемы горного производства. – Донецк: «Цифрова типографія». – вып. 10. – 2007. – С. 106-111.
5. Сахно И.Г., Негрей С.Г., Лызенко А.А. Математическое моделирование деформационных процессов в разрушенных горных породах с помощью метода конечных элементов / Новые технологии подземного строительства и добычи полезных ископаемых: Материалы международной научно-технической конференции. 11-13.05.2008г., г.Алчевск, ДонГТУ. – Алчевск. – 2008. – С. 122-126.
6. Сахно И.Г., Негрей С.Г., Лызенко А.А. Новый подход к анализу напряженно-деформированного состояния разрушенных горных пород / Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений. Сб. научн. трудов. Вып.14. – Донецк: «Норд-Пресс», 2008. – С.117-119.
7. Сахно И.Г., Негрей С.Г., Лызенко А.А. Математическое моделирование процессов выдавливания пород почвы в подготовительной выработке с помощью метода конечных элементов / Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений. Сб. научн.трудов. Вып.14.– Донецк: «Норд-Пресс», 2008. – С.121-124.
8. Негрей С., Соловьев Г., Толкачев А., Сахно И. Мокриенко В., Куцерубов В.Алгоритм расчета параметров способа предотвращения выдавливания пород почвы / Материалы ХIІI-й Международной конференции «Geotechnika- Geotechnics 2008». Гливице – Устронь. 14-17.09.2008г. – С. 227-243.
9. Негрей С.Г., Мокриенко В.Н. Об особенностях пучения пород почвы выемочных выработок в условиях пласта m₃ шахты им. В.М.Бажанова / Проблеми гірничої технології: Матеріали регіональної науково-практичної конференції, Красноармійський індустріальний інститут ДонНТУ, 28.11.2008г. – С. 97-102.
10. Касьян Н.Н., Хазипов И.В., Рыкалов И.С. Обоснование параметров охранного сооружения, возводимого из опорних элементов, состоящих из породы, заключенной в оболочку / Проблеми гірничої технології: Матеріали регіональної науково-практичної конференції, Красноармійський індустріальний інститут ДонНТУ, 28.11.2008г. – С. 6-11.