Устойчивость выемочных выработок значительно снижается с увеличением глубины разработки, что весьма негативно влияет на эффективность работы очистных забоев с высокопроизводительными механизированными комплексами. Однако, при разработке новых технологических решений по сохранению устойчивости выработок параметры способов охраны, а также основной и усиливающей крепей выработок выбираются обычно без детального без учета их рационального сочетания, что зачастую приводит к значительной для потере разработки сечения методики выработки выбора, рационального сочетания параметров крепи, крепи усиления и способов охраны выемочных штреков необходимо решить следующие задачи:
• установить особенности механизма деформирования вмещающих пород при отсутствии продольно-балочной крепи усиления;
• выявить степень влияния основных факторов (см. табл. 1) на деформирование вмещающих пород;
• определить смещения контура выработки, возникающие при изменении основных влияющих факторов.
Для решения поставленных задач, было выполнено математическое моделирование проявлений горного давления с помощью программного
комплекса Ansys для условий конвейерного штрека 2-й западной лавы пласта h10 шахты им. Калинина, который проводился впереди очистного забоя в массиве угля с опережением лавы не менее 8 м и поддерживался в выработанном пространстве участками по 250-300 м между наклонными
промежуточными квершлагами, группирующими его на полевой штрек, проводимый в почве пласта на расстоянии 15 м от него по нормали.
Моделирование производилось в два этапа. На первом этапе (отработано 2 модели) устанавливалась степень соответствия механизмапроявления горного давления в натурных условиях и в модели. Для этого моделировался участок массива со следующим геологическим строением.
Пласт h10 мощностью 1,22 м и пределом прочности на одноосное сжатие 9-10 МПа в пределах выемочного поля имел спокойное моноклинальное залегание с углом падения 19-21°. Глубина ведения работ составляла 1230-1265 м.
Непосредственно над пластом залегала ложная кровля, которая была представлена тонко слоистым глинистым сланцем мощностью 0,5 м и пределом прочности на одноосное сжатие 15 МПа (категория Б2–Б1 по классификации ДонУГИ).
Непосредственная кровля пласта была представлена однородным слабо
слюдистым слоистым глинистым сланцем мощностью 0,5-2,0 м и пределом прочности на одноосное сжатие 54 МПа (категория Б4–Б3 по классификации ДонУГИ). Выше залегает однородный слоистый с мелкими сидеритовыми конкрециями глинистый сланец мощностью 3,5-5,0 м и пределом прочности на одноосное сжатие 64,5 МПа (категория Б4
по классификации ДонУГИ).
В основной кровле пласта залегал однородный слоистый с мелкими си-
деритовыми конкрециями глинистый сланец мощностью 5,15 м и пределом прочности на одноосное сжатие 64,5 МПа (категория А2 по классификации ДонУГИ). Выше – мелкозернистый слюдистый горизонтально слоистый песчано-глинистый сланец мощностью 3,50 м и пределом прочности на одноосное сжатие 57,6 МПа (категория А2 по классификации ДонУГИ). Еще выше – мелко слоистый мелкозернистый полевошпатово-кварцевый слюдистый песчаник мощностью 5,76 м и пределом прочности на одноосное сжатие 90,2 МПа (категория А2 по классификации ДонУГИ)
Непосредственная почва пласта была представлена тонко слоистым слюдистым песчано-глинистым сланцем в кровле слоя комковатого строения мощ-ностью 1,0 м и пределом прочности на одноосное сжатие 69,5 МПа (категория П2 по классификации ДонУГИ).
В основной почве пласта залегал слюдистый мелкозернистый горизон-
тально слоистый песчаник мощностью 12,0 м и пределом прочности на одноосное сжатие 125 МПа (категория П3 по классификации ДонУГИ).
Размеры моделируемого участка массива составляли: длина – 60 м, высота – 38 м и ширина – 0,5 м, что соответствовало шагу крепи.
Задача решалась в упругой постановке, поскольку программный комплекс ANSYS производил линейно-упругий анализ напряженно-деформированного состояния. Недостаю-щие для расчета прочностные и упругие свойства вмещающих пород были определены в соответствии с результатами, приведенными в работах [3, 4, 5]. Результаты расчета приведены в табл. 1.
В первой модели внутри массива воспроизводились все технологические параметры проведения, крепления и охраны 2-го западного конвейерного
штрека.
К этим параметрам относятся проведение выработки завышенным сечением 23,67 м и установка трехзвенной крепи из СВП-27 с шагом 0,5 м (рис. 1, а). Ее моделирование производилось при помощи балочного элемента с поперечным сечением СВП-27, согнутым в арку с поперечным сечением S 23,67 . Вслед за проходом лавы возводилась чураковая стенка шириной 1,3 м вплотную к крепи (рис. 1, а), моделирование которой, согласно рекомендациям [2], осуществлялось установленным вплотную к основной крепи жестким элементом шириной b = 1,3 м .
Во второй модели помимо крепи и опорной конструкции для сохранения устойчивости выработки применялась продольно-балочная крепь усиления из СВП-27, расположенная в поперечном сечении выработки в своде и перпендикулярно напластованию пород (рис. 1, б).
Для определения прочностных характеристик основной крепи, крепи усиления и опорных конструкций были с использованы рекомендации, приведенные в работах [6-9].
Граничными условиями для двух моделей первого этапа являлось закрепление всех граней массива от перемещений, кроме верхней, к которой прикладывалась распределенная нагрузка, имитирующая первоначальное напряженное состояние горного массива. Величина нагрузки при средневзвешенной плотности пород 2,55 т/м3и фактической средней глубине очистных работ 1260 м и составляла 31,62 МПа
Упругие свойства материалов крепей и опорных конструкций были рассчитаны с использованием [6-9] .
На втором этапе было отработано 48 моделей для тех же условий, что и на первом этапе.
Моделирование производилось тремя сериями по 16 моделей, посредством варьирования представленных параметров.
Первая серия моделей отрабатывались без применения крепи усиления. Вторая – с применением продольно-балочной крепи из прямолинейного спецпрофиля СВП-27. В третьей серии моделировалась крепь усиления из двутавра.
Анализ результатов математического моделирования проявлений горного давления в выемочном штреке производился в несколько этапов.
На первом этапе все результаты моделирования были разделены на три группы. В первую группу входили результаты моделирования для выработки без крепи усиления, во вторую группу – с продольно-балочной крепью из СВП, а в третью – из двутавра.
На втором этапе производился поиск стандартных видов зависимостей, применяемых при статистической обработке результатов экспериментов. Были рассмотрены следующие стандартные виды зависимостей: линейная, экспоненциальная, степенная, логарифмическая, квадратичная [10], параболическая, гиперболическая, показательная [11].На третьем этапе из стандартных видов зависимостей осуществлялся выбор тех, которые в наибольшей степени соответствовали
поставленной задаче.
На четвертом этапе с помощью средств программного пакета SPSSv13.0 для выбранных видов зависимостей (линейной, квадратичной, параболической) по каждой из трех групп результатов математического моделирования определялись коэффициенты уравнения регрессии. На
основе полученных этих коэффициентов были составлены уравнения регрессии, по каждому из которых затем производился расчет конвергенции пород.
На пятом этапе для выбранных видов зависимостей (линейной, квадратичной, параболической) определялись коэффициенты детерминации Ryx , критерий Фишера F и относительная ошибка аппроксимации отн ε .
Коэффициент детерминации определяет, какая часть вариации признака y учитывается в модели и обусловлена влиянием на нее независимых факторов. Таким образом, чем выше коэффициент детерминации, тем выше та часть вариации признака y, которая учитывается в модели и обусловлена влиянием на нее независимых факторов.
Относительная ошибка аппроксима-ции сравнивалась с допустимой относительной ошибкой аппроксимации ε ≤ 0,15 . В результате сравнения
определялась статистическая точность уравнения. Если неравенство верно, то уравнение статистически точно.
На шестом этапе производился окончательный выбор вида зависимости. Критериями выбора служили наибольшие коэффициент детерминации Ryx и критерий Фишера F и наименьшая ошибка аппроксимации ε .
Выбранный параболический вид зависимости для всех трех групп имеет наилучшие показатели: коэффициент детерминации
R= 0,898 - 0,933 , Критерий Фишера F =15,79 - 21,13 , ошибка аппроксимации ε= 0,05 - 0,066.
Полученные для всех трех групп зависимости позволяют создать пакет программ, для определения рационального сочетание параметров способов охраны, основной и усиливающей крепей для выемочных выработок глубоких шахт, поддерживаемых в зоне влияния очистных работ.
Список использованной литературы
1. Захаров В.С. Обоснование способа сохранения устойчивости выемочных выработок применением каркасной крепи усиления. Дисс... канд. техн. наук: 05.15.02. - Донецк: Донецкий госуд. техн. ун-т (ДонГТУ), - 1999. - 215 с.
2. Стулишенко А.Ю. Прогнозирование сближений пород контура проводи-мых вслед за лавой подготовительных выработок на пологих пластах. Дисс... канд. техн. наук: 05.15.02. - Донецк: Донецкий национ. техн. ун-т (ДонНТУ), - 2002. - 170 с.
3. Черняк И.Л., Григорьев Р.И., Фрумкин Р.А., Дорыкин В.А., Нгуен Зань Фьен. Исследование физико-механических свойств горных пород глубоких шахт Донбасса // Технология добычи угля подземным способом. - 1967. - №7. - с. 35-39.
4. Протодьяконов М.М., Тедер Р.И., Ильницкая Е.И. и др. Распределение и корреляция показателей физических свойств горных пород. М.: Недра. – 1981. - с. 185-187
5. Дорохов Д.В., Сивохин В.И. и др. Технология подземной разработки пластовых месторождений полезных ископаемых. Донецк: ДонГТУ. - 1997. - с. 176
6.Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию выработок на угольных шахтах СССР. - Ленинград: ВНИМИ. - 1986. - с. 114
7. Горчаков Г.И., Баженов Ю.М. Строительные материалы. – М.: Стройиздат. - 1986. - с.18.
8. Ищук И.Г., Оболенский Б.Н. О влия-нии упругих свойств основания копра на точность определения коэффициента крепости горных пород методом толчения // Физико-механические свойства горных пород: Научные сообщения. - М.: ИГД им. А.А. Скочинского. - 1973. - вып. 108.- С. 19.