ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СПОСОБА БОРЬБЫ С ПУЧЕНИЕМ ПОРОД ПОЧВЫ ВЫРАБОТКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЕНСАЦИОННЫХ ПОЛОСТЕЙ - АВТОРЕФЕРАТ
Актуальность работы: 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.
Не лучшее положение и на шахтах - новостройках, где перекрепляется по данным ведущих шахтостроительных организаций (тресты Красноармейскшахтострой Макеевшахтострой и др.) до 80,7% от объема ежегодно проводимых выработок. При этом следует отметить, что стоимость крепления одного метра выработки достигает 3000 грн., что составляет 50-60% от стоимости проведения. Учитывая существующее финансирование угольных предприятий, перспективным и актуальным является широкое внедрение способов поддержания горных выработок на основе учета геомеханического состояния вмещающего массива в различные периоды их эксплуатации, с целью максимального использования несущей способности системы "породный массив-крепь", и безремонтного эксплуатирования выработки на весь срок службы.
Обращаясь к многочисленным литературным источникам, можно найти 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.
Разработано множество способов повышения устойчивости выработки за счет повышения устойчивости пород почвы, и область применения каждого способа ограничивается определенными горно-геологическими условиями. Они требуют своей реализации, как на этапе проведения выработки, так и на этапе ее эксплуатации. 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. Но проведение данного мероприятия приводит к интенсификации смещений пород почвы и на удалении 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.
По нашему мнению, для уменьшения пучения пород почвы выработки, поддерживаемой 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. 1).
Применение жестких искусственных сооружений, при традиционных схемах расположения, не рекомендуется при слабых вмещающих породах, что связано, прежде всего, с вдавливанием охранных сооружением в породы и, как следствие, низкой эффективностью.
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.
Цель работы: обоснование параметров способа охраны выемочных выработок жесткими сооружениями с компенсационными полостями.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
– Анализ современных представлений о механизме пучения пород почвы выработки.
– Анализ мероприятий по предотвращению пучения почвы горной выработки.
– Разработка способа предотвращения пучения, основанного на создании искусственных полостей вдоль выработки между жесткими охранными сооружениями.
– Проведение лабораторных исследований по установлению оптимальных параметров способа предотвращения пучения с использованием жестких охранных сооружений и компенсационных полостей между ними.
– Проведение натурных исследований по установлению характера пучения пород почвы выработки, поддерживаемой позади забоя.
–Проведение аналитических исследований по установлению закономерностей выдавливания пород почвы в компенсационные полости.
–Разработка технологии охраны выемочной выработки, поддерживаемой позади лавы, жесткими охранными сооружениями с компенсационными полостями.
Идея работы: исследование закономерностей перераспределения напряжений от действия сил, выдавливающих породы почвы выработки в искусственные полости, для уменьшения пучения пород почвы.
Объектом исследований является напряженно-деформированное состояние (НДС) массива в почве выработки, которая находится в зоне влияния очистных работ, при сооружении компенсационных полостей вдоль выработки в плоскости пласта.
Предметом исследований являются параметры способа обеспечения эксплуатационного состояния выработки, которая поддерживается в зоне влияния очистных работ.
Методы исследований: Методическую основу исследований составляет комплексный подход, который включает анализ и обобщение научной литературы по проблеме выдавливания пород почвы выработки, Физическое моделирование на моделях из эквивалентных материалов, аналитические исследования, графо- аналитический метод, визуальные и инструментальные наблюдения за проявлением горного давлении.
Научные положения, которые защищаются в диссертации:
– устойчивость подготовительной выработки, которая проведена вслед за лавой, обеспечивается управлением состояния породного массива примыкающего к выработки, что позволяет разработать эффективные способы борьбы с вредными явлениями и определить их рациональные параметры;
- управляющее влияние обеспечивается путем создания компенсационных полостей вдоль выработки в плоскости пласта с соотношением ширины полости к ширине опоры 1:1 и равной мощности пласта. Что позволяет уменьшить интенсивность пучения в выработке и сократить объемы ремонтных работ.
Научная новизна полученных результатов: впервые для горно-геологических условий шахты им. В.М. Бажанова для выработок, которые проведены вслед за лавой, предложен данный способ.
Научное значение работы заключается в раскрытии закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния приконтурного породного массива в почве подготовительной выработки, которая пройдена вслед за лавой, при использовании компенсационных полостей вдоль выработки в плоскости пласта.
Практическое значение работы заключается в разработке способа обеспечения устойчивости подготовительных выработок жесткими сооружениями с компенсационными полостями для уменьшения пучения пород почвы.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, подтверждается использованием апробированных методов аналитических, лабораторных исследований; корректностью поставленных задач, экономической эффективностью, при внедрении результатов исследований.
Личный вклад автора заключается в формулировке цели, задач исследований, научных положений, в разработке методики исследований, в анализе результатов лабораторных и теоретических исследований, разработке рекомендаций по выбору параметров способа охраны и поддержания подготовительных выработок в зоне влияния лавы.
Апробация результатов работы основные положения изложены на научно-технической конференции “Геотехнолоии и управление производством в ХХI веке” Донецк, апрель 2008 г.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Состояние изученности вопроса.
Анализ литературных источников по теме магистерской работы показывает, что среди богатого количества рабочих гипотез доныне нет общепринятой. Их многообразие и сложность явления пучения почвы порождают большое количество мероприятий по противодействию его проявлениям, которые далеко не всегда и не везде эффективны.
Приведем некоторые из них.
Так например А.В. Гурдус [ 9 ] на основании лабораторных и шахтных исследований в качестве основного фактора вспучивания принимает горное давление, отводя гидротации второстепенное значение.
П.М. Цимбаревич [10 ] пучение пород почвы рассматривает как процесс, аналогичный явлению выпирания сыпучего материала между двумя штампами.
Схема 1. Определение давления на крепь со стороны почвы горной выработки по П.М. Цимбаревичу.
Натурные исследования.
Для установления характера проявлений горного давления в подготовительных выработках шахты им. В.М. Бажанова и получение количественных оценок величины пучения другими специалистами были проведены инструментальные наблюдения в протяжных выработках 4-й и 6-й западных лав пласту m3 горизонтов соответственно 1012 м и 1100 м. Замерные станции представляли собой специальным образом подготовленную комплектную арку крепления. Общее количество замерных станций составили 40 штук. Особый интерес представляют наблюдения в вентиляционном штреке и вентиляционном ходке 6-й западной лавы, которые проведены в условиях влияния очистительных работ [1].
В вентиляционном штреке при приближении забоя очистной выработки к замерным станциям увеличивались смещения контура выработок , причем пучение пород почвы имело большую интенсивность. Горизонтальная конвергенция достигла 1,0-1,25 м, а вертикальная – 1,6 м, что уменьшило размеры выработки в 1,5 и 2,1 разы соответственно [1].
В вентиляционном ходке процесс смещения боков выработки плавно погасает, конвергенция составляет в среднем 0,4-0,55 м и приводит к уменьшению ширины выработки в 1,1 разы. Процесс вертикальных сдвигов контуру почвы и кровли выработки остается незатухающим, величина вертикальной конвергенции достигает 1,0 м, что приводит к уменьшению высоты выработки в 1,4 раза. Максимальная интенсивность смещений наблюдалась на расстоянии 25-35 м за забоем лавы. Это связано с шагом обрушения основной кровли [2]. С отдалением от лавы интенсивность смещений падает и процесс практически стабилизируется на расстоянии 150-200 м за забоем лавы.
Такая ситуация требует уже на расстояния 30-40 м после отхода забоя лавы делать периодические подрывки пород почвы.
По результатам натурных наблюдений выработку можно условно разделить разделить на несколько участков:
а) участок 15-25 м от забоя ходка – для нее характерные небольшие смещения почвы выработки и сравнительно небольшая их скорость;
б) участок 130-170 м от забоя ходка – характеризуется резким ростом смещений и их скорости;
в) участок 150-195 м от забоя ходка – характеризуется небольшой скоростью развития смещений.
С использованием расчетной схемы и методики, разработанной в НГУ к.т.н. Н.В. Хозяйкиной, доказано, что шаг обрушения основной кровли во время отработки пласту на шахте им. В.М. Бажанова составляет 24,0 м, что фактически совпадает с шагом обрушения пород кровли. Это подтверждает предположение о влиянии обрушения пород кровли лавы на начало потери устойчивости почвы в вентиляционном штреке[2]
Участки проведения подрывок по длине выработки фактически совпадают с участками начала пучения и стабилизации его интенсивности.
То есть, можно утверждать, что наилучшая устойчивость подготовительной выработки, проведенной вслед за лавой, обеспечиться путем ее безремонтной эксплуатации . На этой основе необходимо разрабатывать эффективные способы влияния и определить их рациональные параметры.
Лабораторные исследования
Из-за многообразия факторов, влияющих на процесс выдавливания (пучения) пород почвы горных выработок, изучение механизма выдавливания почвы в естественных условиях являются весьма трудной задачей. Для ее решения целесообразно обратиться к моделированию процессов в почве выработки.
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 [6]. Теория подобия определяет необходимые соотношения подобия (константы подобия), в соответствии с которыми при моделировании реальный натурный объект заменяется некоторой его моделью. Для решения поставленных в настоящей работе задач наиболее подходит метод моделирования с использованием эквивалентных материалов, так как он дает возможность с наибольшей полнотой и простотой воспроизводить в моделях необходимый комплекс горно-геологических условий [7] и наиболее полно удовлетворяет требованиям, предъявляемым к лабораторным исследованиям процессов деформаций и разрушений горных пород при производстве горных работ [8].
Подбор эквивалентного материала осуществлялся по известной методике Г.Н. Кузнецова [4] при подборе материалов, которые удовлетворяли бы требованиям механического подобия при моделировании процессов деформаций и разрушений пород, окружающих горные выработки были использованы для подбора характеристик модели следующие условия:
В приведенных выше формулах: sпч.с= Rс – предел прочности при сжатии; sпч.р= Rр – предел прочности при растяжении; gм, gн – объемный вес материала в модели и натуре соответственно; (lм/lн) – геометрический (линейный) масштаб модели.
Вместе с деформационными процессами, в нашем случае определяющими являются силы гравитации. Для них масштаб времени at определяется геометрическим масштабом [7,8]:
где al –линейный масштаб моделирования (al = lн /lм).
Если рассмотреть процесс выдавливания пород у охранных сооружений , то можно проследить следующее: охранные сооружения располагаются вдоль выработки. Их длина всегда больше ширины. По прочностным характеристикам они превышает окружающие породы, вследствии чего играют роль штампа. После передачи давления на нижележащие слои происходит выдавливание последних в полости. В данном случае роль полостей играет выработка. Кроме этого мы установили что выдавливание пород происходит в сторону, имеющую большую поверхность. Поэтому мы предлагаем располагать охранные сооружения перпендикулярно оси выработки. Кроме этого между сооружениями будут оставаться пустоты, которые, в свою очередь, будут играть роль компенсационных полостей. Ширина применяемых сооружений будет меньше, чем их длина. Меньшей стороной они будут прилегать к выработке, поэтому выдавливание пород будет происходить не в выработку, а в полости.
Для создания компенсационных полостей можно применять и искусственные сооружения, например тумбы БЖБТ или опоры из рядовой породы.
Моделированная толща соответствовала горно-геологическим условиям
6-Й восточной лавы пласта mз шахты В.М.Бажанова.
Непосредственная кровля пласта глинистый сланец темно-серого цвета, скрытослоистый, с включениями карбонатных конкреций, расположенных по наслоению, с точечными включениями пирита, налетами кальцита. Общая мощность глинистого сланца 11.95-16.8 м. Крепость по шкале Протодьяконова 3-5. Согласно классификаций ДонУГИ по устойчивости глинистый сланец относится к малоустойчивым породам категории Б3.
Основная кровля представлена перемежающимися слоями сланцев песчаных, глинистых, известняков, песчаников, угольных прослоев. Общая мощность этой толщи до маркирующего песчаника 42.5-69.1 м.
Почва пласта-сланец песчаный, серого цвета, мелкозернистой текстуры, на контакте с пластом с включениями стигмарий. Мощность песчаного сланца изменяется от 0.75 до 3.6 м, крепость по шкале Протодьяконова 4-6. Склонен к поддуванию на высоту от 0.3-0.6 до 1.0-1.5 м. Согласно классификации ДонУГИ по устойчивости породы непосредственной почвы относятся к устойчивым породам категории П3.
На первом этапе моделирования стояла задача определить соотношения между шириной компенсационной полости и шириной опоры. Для этого расстояние между охранными сооружениями было принято равное мощности пласта а охранные сооружения, которые имитировались гипсовыми паралелепипидами, были приняты равными мощности, половине мощности и двум мощностям пласта. Результаты , полученные во время физических испытаний, носили качественный характер. Они представлены на рис.2 Для построения графика за 100% по оси ординат была принята высота полости равная мощности пласта (В модели 16 мм . ) , а по оси абцысс действующаа нагрузка.
Рис.1 Общий вид модели перед началом ее отработки и схема размещения реперов в модели
Рис .2 График смещений пород почвы в компенсационные полости в зависимости от действующей нагрузки,%
Рис.3 схема способа где 1 – пластовая выработка, 2- компенсационная
Полость. 3 – искусственно создаваемое охранное сооружение.
Из проведенного эксперимента следеет, 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 .
Следующим этапом моделирования было уточнение полученных результатов . Для этого был принят масштаб моделирования 1:50 . соотношение между шириной полости и шириной охранного сооружения 1:1 и 0,5 : 1 ( модель №3 и модель № 4 соответственно) охранные сооружения моделировались деревянными брусками.
Рис.4 Общий вид модели №3 перед началом ее отработки и схема размещения реперов в модели
Рис.5 Общий вид модели №4 перед началом ее отработки и схема размещения реперов в модели
Рис.6 Сводный график зависимости смещений пород почвы в компенсационные полости моделей №3 и №4 в зависимости от действующей нагрузки.
Для подтверждения научного положения о том, что охранные сооружения нужно располагать большей стороной перпендикулярно выработке, и меньшей вдоль выработки нами была изготовлена модель №5. Охранные сооружения в обоих имитируемых выработках были изготовлены из гипса. Их размеры в плане составили 16Х32 мм. Их количество в каждой выработке 8 штук, а значит и площадь на которую действует нагрузка одинакова.
В левой части модели мы расположили охранные сооружения по традиционной схеме, а в правой части по предлагаемой. Рис. 7
Рис. 7 Схемы расположения охранных сооружений
После чего модель была нагружена. При давлении Р= 0,04 МПа произошла потеря устойчивости пород почвы выработки. Охранные сооружения вдавились в почву и в выработке наблюдалось пучение практически равное мощности пласта. ( m=1,62 м)
Ри.8 Общий вид модели №5 в прецессе ее отработки.
После чего процесс нагружения этой части модели был остановлен.
Далее производилась постепенное нагружение правой части модели, где охранные сооружения располагались по предлагаемой нами схеме.
В отличии от традиционной схемы процесс смещения охранных сооружений носил плавный характер. Пучение почвы выработки было незначительным и составило около пяти процентов мощности пласта.
В компенсационных полостях вдоль выработки отчетливо наблюдалось выдавливание пород почвы. Рис 9.
Рис. 9 Анимированный процесс пучения пород почвы в компенсационных полостях,(378 kb, 10 повторений).
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
В данной работе был предложен и новый обоснован способ охраны выработок в условиях пучащих пород почвы. Способ основывается на создании искусственных компенсационных полостей в закрепном пространстве , параметры которых обеспечивают их заполнение пучащими породами почвы при отсутствии смещения пород в полость выработки. В лабораторных условиях данный способ был опробован на моделях из эквивалентных материалов и структурных моделях . При этом были определены параметры данного способа.
Рекомендации:
1. Предлагаемый способ возможно использовать в условиях слабых пород почвы, склонных к пучению.
2. В качестве искусственных сооружений необходимо применять жесткие или малоподатливые конструкции.
3. На моделях из эквивалентных материалов было определено что наилучшим соотношением ширины охранного сооружения и расстояния между ними ( для провоцирования пучения в компенсационную полость и минимизации пучения в выработку ) 1:1 и равному мощности пласта.
4. на структурных и эквивалентных моделях было определено и доказано наилучшая ориентация охранных сооружений в пространстве . Они должны распологатся перпендикулярно оси выработки так как наибольшее пучение происходит вдоль более длинной стороны охранного сооружения.
5. В условиях, где процесс деформирования пород почвы начинается у проходческого забоя, возможно создание искусственных компенсационных полостей по угольному пласту. При этом выработка будет защищена от пучения с момента ее проведения.
6. если данный способ не избавит полностью от процесса пучения то даст возможность отнести ремонтные работы ( поддирку почвы) на достаточное расстояние от сопряжения лавы со штреком.
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.