Інститут гірничої справи та геології
Спеціальність: Розробка родовищ корисних копалин
Підвищення конкурентоспроможності вугілля, як основного енергетичного джерела України, пов'язане зі зниженням його собівартості, в якій велику частину складають витрати на гірничопідготовчі роботи. Одним із шляхів зниження цих витрат є застосування систем розробки з повторним використанням виробок.
При цьому важливим питанням є охорона виїмкових виробок в зоні впливу очисних робіт. До теперішнього часу розроблено безліч способів і засобів охорони виробок, однак універсального, застосовного в будь-яких гірничо-геологічних умовах, не існує. Тому необхідно розробляти нові або удосконалити вже існуючі способи охорони, з урахуванням умов у яких вони застосовуються. Так, наприклад, застосування жорстких охоронних споруд, при традиційній схемі розташування (рис. 1а),не рекомендується при слабких ґрунтах, так як споруди відіграють роль
«Штампа», видавлюючи підстилають їх породи в порожнину виробки. Пропонується (Мал.1б) охоронні споруди (2) зводити поблизу гірничої виробки (1) у вигляді окремо розміщених прямокутних паралелепіпедів між якими утворюють компенсаційну порожнину (3). За рахунок такої схеми розташування (яка носить назву способу охорони вироблення жорсткими спорудами з компенсаційними порожнинами) можна перенаправити здимання ґрунту від виробітку в компенсаційні порожнини. Питання впливу параметрів даного способу на величину зміщень порід ґрунту та покрівлі виробки не вивчений.
Метою статті є вивчення впливу параметрів пропонованого способу на величину зміщень вміщають вироблення порід. Для цього доцільно звернеться до лабораторного моделювання. Найбільш підходящим методом моделювання для вирішення поставленого завдання є метод еквівалентних матеріалів [1].
На першому етапі моделювання стояла мета порівняти характер зміщення порід підошви імітованої вироблення якщо охоронні споруди розташовувати суцільно (як при охороні БЖБТ або литої смугою) або з залишенням компенсаційних порожнин.
У першому випадку (Рис.2 ліва частина) конструкція розташовувалася у бічної стінки вироблення суцільно, по обидва боки від неї, на всю ширину моделі L, при цьому ширина а цього охоронного споруди була в 10 разів менше, ніж довжина, тобто L / а = 10.
У другому випадку (Рис.2 права частина) - опорні елементи встановлювалися перпендикулярно поздовжній осі виробки, причому ширина однієї опори а була така ж, як і в першому. При цьому між опорами передбачалися компенсаційні порожнини. Ширина порожнини b була прийнята рівною ширині опори.
Місце положення виробок в моделі (рис.4) було обрано з урахуванням граничних умов з розрахунку, щоб положення, існуюче на зовнішньому контурі моделі, не впливало на величини напружень і деформацій, які виникали на кордонах, яка нас цікавить ділянки [2].
Вже при навантаженні моделі тиском Р = 0,01 МПа, при традиційному розташуванні охоронних споруд, спостерігалося підняття порід підошви виробки (до 93% від потужності шару), а при привантаження Р = 0,04 МПа-відбулося повне руйнування підстилаючих охоронне спорудження порід рис.5 (1).
На відміну від традиційної схеми, у пропонованій, зміщення порід підошви спостерігалися порівняно пізніше, і величина їх була істотно нижче (15% від потужності пласта) рис.5 (2), ніж у першому варіанті, також зберегли стійкість підстилають охоронне споруда породи.
У той же час спостерігалося здимання порід у компенсаційних порожнинах, яке склало 45% від потужності пласта (рис 6) і як тільки зміщення в порожнині закінчилися, у виробленні почалося підняття шарів.
Для встановлення оптимального співвідношення ширини опори і ширини компенсаційної порожнини були підготовлені три моделі з різними параметрами охоронних споруд.
Перша модель (рис. 7, 8) c масштабом моделювання 1:100 була розділена на три сектори.
У кожному секторі відстань між охоронними спорудами (ширина порожнини) b було прийнято рівне потужності пласта m, а ширина охоронних споруд а було прийнято: у першому секторі рівний потужності (а = m, тобто а / b = 1), у другому секторі - половині потужності (а / b = 1 / 2) і в третьому - двом потужностям пласта (а / b = 2).
У другій і третьої моделях з масштабом моделювання 1:50 співвідношення ширини опор і порожнин було прийнято, а / b = 1 рис.9 (а) та а / b = 1 / 2 рис.9 (б).
За результатами моделювання на даному етапі були отримані графіки залежності величини зміщень порід грунту порожнин від величини привантаження при різному співвідношенні а / b (рис. 10).
Аналіз результатів моделювання показав, що при ширині опори менше ширини порожнини (співвідношення а / b = 1 / 2), зміщення досягають величини 0,28 m, після чого відбувається проколювання підстилаючих порід; при ширині опори з співвідношенням а / b = 2 - здимання в порожнини практично не спостерігається (не більше 0,02 m). Найбільші ж зміщення спостерігалися при співвідношенні а / b = 1та становили 35% від потужності пласта, після чого також відбувалося проколювання грунту. Таким чином, з графіка випливає, що оптимальне співвідношення ширини опор і порожнин, з точки зору стійкості порід підошви виробки, при якому зміщення в порожнинах будуть максимальними, для розглянутих умов має бути 1:1. Це дозволяє перейти до наступного етапу моделірованія.Целью, якого, є порівняння якісних картин прояви гірського тиску при традиційному способі охорони і пропонованому, як у грунті так і в покрівлі моделюється виїмкових виробки.
Для цього було підготовлено дві моделі (Рис. 11,12) з масштабом моделювання 1:50.
Методика проведення експерименту відповідала вимогам [1,2]. У результаті відпрацювання моделей отриманий графік залежності зміщень порід покрівлі і грунту при традиційному і пропонують способи охорони, при одноманітному ступінчастому збільшенні навантаження на верхній межі моделей
Аналізуючи отримані залежності можна зробити висновок про те, що пропонована схема розміщення охоронних споруд є більш ефективною порівняно з традиційною, як з точки зору стійкості грунту гірничої виробки, так і з точки зору стійкості покрівлі.
Таким чином, пропонований спосіб охорони вироблення дає можливість застосовувати жорсткі споруди при слабких грунтах, тим самим розширюючи сферу їх застосування. На моделях з еквівалентних матеріалів були визначені його основні параметри, і ефективність порівняно з традиційним способом охорони.
На дану мить магістерська робота знаходиться в стадії розробки. Більш докладну інформацію по роботі можна буде отрімати у автора (Курдюмов Д.М) чи керівника роботи (Негрій С.Г.) в січні 2011 року.