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 установлению  основных параметров охранных сооружений с компенсационными полостями в окрестности выработки для обеспечения устойчивости почвы выработки.

Ефективна робота шахт багато в чому залежить від стійкості гірничих виробок, тому що незадовільний стан останніх істотно стримує темпи ведення очисних і підготовчих робіт. Так, в 2000 р. питомий обсяг перекріплювання виробок на діючих шахтах Донбасу досяг 7,5м на 1000т видобутку, а витрати праці на ремонт і підтримання виробок близько 50 чол.-змін на 1000т видобутку [1,2].

Аналіз сучасних тенденцій підземної розробки вугільних пластів України дозволяє зробити висновок про те, що із збільшенням глибини ведення гірничих робіт все більш поширеними будуть схеми відробки виїмкових дільниць з проведенням і підтриманням дільничних виробок за очисним вибоєм. Це пов'язано з проблемою забезпечення стійкості підошви виїмкових виробок позаду лави. Часто не вдається застосовувати способи запобігання здимання порід підошви на етапі проведення виробки, що пов'язане з великою концентрацією робіт на ділянці між підготовчим і очисним вибоями і, як результат, спостерігаються значні зсуви порід підошви позаду лави і неможливість подальшої експлуатації виробки без проведення підривання. Проведення підривання не зменшує інтенсивність видавлювання підошви, а навпаки, навіть підсилює і вже впродовж декількох десятків метрів від місця першого підривання необхідне повторне [3]. Прикладом такої ситуації може бути ситуація у виїмкових виробках по пласту m₃ шахти ім. В.М. Бажанова [1, 2]. У цьому випадку основна причина повторного видавлювання - це підвищений гірничий тиск позаду лави.

Існує безліч гіпотез, що пояснюють механізм видавлювання порід підошви виробки [4-7], і кожна з цих точок зору прийнятна для певних гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов. Єдиної гіпотези, що пояснює деформації порід, в даний час не існує.

На нашу думку, для зменшення видавлювання порід підошви позаду лави необхідно перенаправити сили, що видавлюють ці породи, від виробки. Тобто інтенсифікувати здимання порід, але не у виробці, а у виробленому просторі. Для цього представляється можливим застосування жорстких охоронних споруд з компенсаційними порожнинами, в яких реалізовуватиметься видавлювання (рис. 1).

Жорсткі охоронні споруди не рекомендуються при слабких породах підошви, але даний спосіб розширює область їх застосування, оскільки при традиційних технологічних схемах кріплення кінцевих ділянок позаду лави, як правило, передбачається суцільна установка охоронних конструкцій уздовж виробки.

У нашому випадку передбачається розміщення конструкцій перпендикулярно подовжній осі виробки і залишення між ними спеціальних порожнин для реалізації в них видавлювання. Площа підвалини охоронної конструкції (опори) повинна бути достатньою для збереження стійкості підстилаючих її порід, а ширина компенсаційної порожнини - достатньою для втрати стійкості порід її підошви і інтенсифікації в ній процесу видавлювання.

Рис. 1 - Схема розміщення охоронних споруд (1) з компенсаційними порожнинами (2) уздовж виробки (3)

 

Для встановлення цих параметрів нами були проведені лабораторні дослідження на моделях з використанням еквівалентних матеріалів. Визначалося оптимальне співвідношення розмірів охоронних опор і компенсаційних порожнин між ними залежно від потужності пласта, що розроблявся.

Як об'єкт дослідження прийнятий повітряподавальний хідник 6-ої західної лави похильного поля шахти ім. В.М Бажанова, що обумовлене складними умовами підтримання цієї виробки і проблемою збереження її експлуатаційного стану позаду лави при застосуванні способу охорони - бутовою смугою.

Основні принципи моделювання методом еквівалентних матеріалів зводяться до заміни товщі природних гірничих порід штучними матеріалами з дотриманням геометричної, кінематичної і динамічної подібності моделі і натури. Для забезпечення механічної подібності матеріали повинні знаходитися в певних співвідношеннях з фізико-механічними властивостями реальних гірничих порід. Ці співвідношення визначалися на основі загальних положень теорії подібності і методу розмінностей, а підбір еквівалентного матеріалу здійснювався по відомій методиці [8].

Нами було підготовлено декілька плоских моделей (рис 2), які по черзі відпрацьовувалися.

Моделювалася товща порід, що підстилають пласт m₃, в умовах 6-ої західної лави. Підошва пласта представлена сланцем піщаним, потужністю 4м і міцністю на одноосне стиснення 40 МПа, нижче за яким залягає шар піщаника потужністю 4м і міцністю на одноосне стиснення 60 МПа.

У моделі, як охоронні споруди, були прийняті жорсткі опори з гіпсу, міцність яких на одноосне стиснення в перекладі на натуру складала 60МПа. Між опорами були передбачені компенсаційні порожнини.

Метою моделювання було встановлення оптимального співвідношення поперечних розмірів охоронної конструкції і компенсаційної порожнини, при якому під дією вертикального навантаження на опору здимання у порожнині було б найбільшим.

 

Рис. 2 - Загальний вид моделі перед початком її відробки (1- охоронні опори, 2- компенсаційні порожнини)

 

Навантаження опор проводилося за допомогою пневмобалонів. Тиск в них змінювався від 0 до 0,12 МПа.

Опори в моделі встановлювалися на всю її товщину, таким чином, довжина опори с (рис.1) складала 2,5m (де m- потужність пласта). Ширина опор по секторах в моделі була різна і складала 0,5m, 1,0m і 2,0m (рис.2), ширина ж компенсаційних порожнин між ними була прийнята 1,0m. Таким чином, співвідношення поперечних розмірів охоронних конструкцій і компенсаційних порожнин складало, відповідно, 1:2, 1:1 і 2:1.

Було відпрацьовано 5 однакових моделей. За наслідками моделювання було встановлене оптимальне співвідношення ширини опор і компенсаційних порожнин, при яких зсуви порід підошви в порожнинах були найбільшими.

На рисунку 3 представлені графіки залежності зсувів порід підошви в компенсаційних порожнинах від величини навантаження на опори при різних співвідношеннях розмірів опор і порожнин.

 

Рисунок 3– Графіки залежності зсувів порід підошви компенсаційних порожнин U/m (де U– зсуви підошви, m– потужність пласта) від величини навантаження на опори q при різному співвідношенні розмірів опор и компенсаційних порожнин: 1,2 і 3– відповідно, при співвідношенні 1:2, 1:1 и 2:1.

Якщо аналізувати представлені графіки, можна зробити висновок про те, що при ширині опори менше ширини порожнини (співвідношення 1:2), зсуви досягають величини 28% від потужності пласта, після чого відбувається проколювання підошви; при ширині опори більше ширини порожнини (співвідношення 2:1) здимання порід її підошви практично не спостерігається. Найбільші зсуви спостерігаються при співвідношенні розмірів опори і компенсаційної порожнини 1:1, причому їх ширина дорівнює потужності пласта m. Надалі досягши зсувів 35% від m також походить проколювання підошви, але цього може бути досить для розвантаження порід підошви виробки і зменшення видавлювання в ній.

Таким чином, було визначено оптимальне співвідношення розмірів охоронних опор і компенсаційних порожнин між ними залежно від потужності пласта, що розроблявся.

Проведена робота відноситься до початкового етапу досліджень за визначенням параметрів охоронних споруд з компенсаційними порожнинами, для встановлення ступеня впливу інтенсивності видавлювання у порожнинах на стійкість підошви виробки передбачається проведення додаткових досліджень.

 

Бібліографічний список

 

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. Негрей С.Г. Результаты испытаний способа предотвращения повторного пучения пород почвы горной выработки // Проблемы подземного строительства и направления развития тампонажа и закрепления горных пород: Материалы научно-практической конференции.– Луганск: Изд-во Восточноукраинского национального университета им. В.Даля.– 2006.– С.202-206.

4. Цимбаревич П.М. Рудничное крепление.– М.-Х.: Углетехиздат.– 1951.– 607 с.

5. Слесарев В.Д. Механика горных пород и рудничное крепление.– М.: Углетехиздат, 1948.– 303с.

6. Сонин С.Д., Шейхет М.Н., Черняк И.Л., Лукичев В.С. Борьба с пучением в горных выработках.– М.: Недра, 1966.– 199с.

7. Литвинский Г.Г. Механизм пучения пород почвы подготовительных выработок // Уголь.– 1987.– №2.– С.15-17.

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