Автор: Захаренко С.В.
Руководитель: к.т.н. доц. Петренко Ю.А.
Принятая Верховным Советом Украины Национальная энергетическая программа придает особое значение развитию угольной промышленности (общий объем добычи угля до 2010 года должен достигнуть 170 млн. тонн в год). Предусматривается строительство 20 новых шахт, завершение строительства второй очереди на 15 предприятиях, реконструкция 63 шахт.
Развитие угольной промышленности в Донбассе сопровождается увеличением глубины горных работ, сечений и общей протяженности поддерживаемых выработок. Только за последние 20 лет объем добычи угля на шахтах с глубиной разработки более 700 метров возрос в 2 раза. За этот же период средняя несущая способность крепи выросла в 2,5 раза, стоимость крепления в 2,3 раза, а трудоемкость в 3,7 раза. Однако попытки обеспечить безремонтное поддержание выработок за счет увеличение несущей способности крепи положительных результатов не дали. Ежегодно протяженность выработок, находящихся в неудовлетворительном состоянии, увеличивается на шахтах Донбасса на 2-3%.
При ремонте выработок, связанном с заменой элементов крепи, в 92% случаев зафиксированы выпуски породы. В 55% вес выпускаемой породы на 20 - 250% превышает несущую способность постоянной крепи. В этой связи вполне обосновано предположение, что именно масса выпускаемой при ремонте породы является причиной нарушения эксплуатационного состояния горной выработки.
Таким образом, совершенствование методик расчёта нагрузки на арочную податливую крепь с учётом воздействия на неё обрушенных пород является весьма актуальной задачей.
Целью данной работы являлось разработка методики расчёта нагрузки на арочную податливую крепь с учётом особенности протекания геомеханических процессов в интенсивно разрушающемся массиве горных пород, вмещающем выработку.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1. Установление основных причин деформирования арочной податливой крепи в условиях глубоких шахт Донбасса.
2. Установление зависимости параметров свода обрушения от размеров зоны неупругой деформации вокруг выработок.
3. Разработка методики расчёта нагрузки на арочную податливую крепь в условиях интенсивно разрушающегося породного массива, вмещающего горную выработку.
При решении данных задач использовался комплексный метод исследований, включающий в себя анализ состояния горных выработок в условиях глубоких шахт Донбасса, шахтные исследования характера нагружения арочной податливой крепи и аналитические исследования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- впервые установлено, что нагружение арочной податливой крепи в условиях шахт Донбасса осуществляется не только в режиме "заданной нагрузки" или "заданной деформации", но процесс носит более сложный комбинированный характер. В начале нагружение крепи происходит за счёт смещений контура выработки, а затем под воздействием веса обрушенной приконтурной части массива.
- впервые установлена зависимость между параметрами свода обрушения и размерами зоны неупругих деформаций;
- разработана методика расчёта нагрузки на арочную податливую крепь, отличающаяся тем, что учитывается вес обрушенных пород.
Практическая ценность данной работы заключается в том, что использование разработанной методики при выборе параметров крепи позволит существенно снизить затраты на поддержание выработок за счёт сокращения количества ремонтов.
Результаты работы реализованы при разработке паспортов поддержания подготовительных выработок 25-ой западной лавы пласта m3 шахты "Трудовская" ГХК "Донуголь".
Основное содержание работы изложено в трёх разделах.
В первом разделе на основании обследования шахт ПО "Донуголь" приведены сведения о протяжённости поддержанных выработок, степени их деформации и видах крепи. Сделан вывод о несоответствии параметров крепи условиям их нагружения. Для выяснения причин деформирования арочной податливой крепи проведено детальное обследование конкретных выработок. В результате было доказано, что основные деформации крепи со стороны кровли связаны с воздействием на неё обрушенных пород. Данные, собранные при обследовании 17 выработок, были сведены в таблицу, в которой указаны сечения и размеры выработок при её сооружении; сечения и размеры выработок на момент ремонтных работ; объёмы выпуска породы при перекреплении; процент изменения сечения.
Во втором разделе был выполнен обзор методик расчёта нагрузки на крепь. Были проанализированы наиболее известные гипотезы горного давления, а также нормативные методы расчёта нагрузки на крепь. В результате было установлено, что ни одна из существующих в настоящее время методик расчёта не учитывает полностью особенности механизма нагружения крепи в условиях глубоких шахт. Данный механизм носит комбинированный характер, в начале нагружение крепи происходит в режиме "заданной деформации" за счёт смещения контура выработки, затем, после образования вокруг выработки зоны неупругих деформаций и реализации основных смещений её контура, нагрузку на крепь оказывает вес части пород в пределах этой зоны, отделившихся от приконтурного массива.
В третьем разделе в результате решения аналитико-эксперементальной задачи была получена зависимость для определения нагрузки на крепь с учётом особенности механизма её нагружения.
При выполнении работы были использованы следующие литературные источники:
1. Вывалообразования в горных выработках шахт Донбасса / К.В.Кошелев, И.И.Бурма, Д.А.Герасимчук, О.К.Кошелев. - К: Техника, 1994, - 135 с.
Вивалоутворення у гірничих виробках шахт Донбасу / К.В.Кошелев, І.І.Бурма, Д.А.Герасимчук, О.К.Кошелев. - К: Техніка, 1994, - 135 с. Мова рос.
2. Исследования проявления горного давления в капитальных выработках глубоких шахт Донецкого бассейна / Ю.З.Заславский - М: Недра, 1996, - 180 с.
3. Горное давление и крепь выработок / А.П.Максимов. - М: Недра, 1973, - 289 с.
4. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР / Ленинград: ВНИМИ, 1986, - 223 с.
5. Новые взгляды в теории горного давления и горных ударов / Р.Квапил. - М: Углетехиздат, 1959, - 108 с.
6. Давление горных пород в угольных шахтах. Вопросы теории горного давления. Сб. переводов. / А.Лабасс. - М: Госгортехиздат, 1961, - 300 с.
7. Механика горных пород / П.М.Цимбаревич. - М: Углетехиздат, 1948, -183 с.
8. Давление на крепь капитальных выработок / Ю.М.Либерман. - М: Наука, 1969, - 119 с.
9. Некоторые вопросы механики горных пород / К.В.Руппенейт. - М: Углетехиздат, 1954, - 384 с.