Phenomena of stability of the coal seam roof with a yielding support

Abstract

Purpose. Determining the conditions and parameters for ensuring the stability of the coal seam roof with a yielding support in the area adjacent to face and behind it under the influence of dynamic loads based on the analytical and laboratory studies. Methods. To achieve the purpose set, analytical studies have been carried out using the basic principles of the theory of elasticity and vibrations, the hypothesis of girders and the hinged-block displacement of the stratified rock stratum. Also, the laboratory studies of models from equivalent materials have been performed, in which the coal seam roof is presented in the form of a girder having a yielding support with variable rigidity from the filling material under dynamic load. Findings. As a result of performed studies, the phenomenon has been determined that the condition for the stability of the coal seam roof is a geometric parameter that reflects moving of the girder with a yielding support, under the force impact of a falling load with a known mass and the physical-geometrical characteristics of the deformable system. It has been determined that as a result of a change in the spans length, a change in the flexural rigidity of the girder occurs, which means that the yield influence of the same supports on the stability of the coal seam roof is different. The values have been set and the relationship has been studied of the physical-mechanical characteristics of the filling mass as a yielding support. Originality. It has been proven scientifically that the stress-strain state (SSS) of a system in which the coal seam roof is studied as a girder depends on the physical-geometrical characteristics of the system, as well as the type and place of applying the external load, in case when the law of the girder movement in time is determined. Practical implications. The effective supporting of the undermined rock stratum in the working part of the longwall face and behind the face is achieved by placing the yielding supports in the mined-out space or by using the backfill in the mined-out space while conducting the stope operations, thus, increasing the efficiency of measures to protect the labour of miners in coal mines.

Мета. Визначення умов і параметрів забезпечення стійкості покрівлі пласта з податливою опорою у привибійному просторі та позаду очисного вибою під впливом динамічних навантажень на основі аналітичних і лабораторних досліджень. Методика. Для досягнення поставленої мети були виконані аналітичні дослідження із застосуванням основних положень теорії пружності й коливань, гіпотези балок і шарнірно-блокового зсування породної товщі, що розшаровується, а так само лабораторні дослідження моделей з еквівалентних матеріалів, в яких покрівля вугільного пласта представлена у вигляді балки, що має податливу опору змінної жорсткості із закладного матеріалу при динамічному навантаженні. Результати. В результаті виконаних досліджень визначено феномен, що умовою стійкості покрівлі вугільного пласта, є геометричний параметр, що відображає переміщення балки з піддатливою опорою, при силовому впливі падаючого вантажу відомої маси і фізико-геометричні характеристики деформованої системи. Визначено, що в результаті зміни довжини прольотів, відбувається зміна згинальної жорсткості балки, а значить вплив податливості одних і тих же опор, на стійкість покрівлі вугільного пласта різний. Встановлено величини і досліджено взаємозв’язок фізико-механічних характеристик закладного масиву як піддатливої опори. Наукова новизна. Науково доведено, що напружено-деформований стан системи, в якій покрівля вугільного пласта досліджується як балка, залежить від фізико-геометричних характеристик системи, виду і місця докладання зовнішнього навантаження, коли визначено закон руху балки в часі. Практична значимість. Ефективне підтримання підробленої породної товщі в робочій частині лави і позаду очисного забою, досягається за рахунок розміщення у виробленому просторі піддатливих опор або застосування закладки виробленого простору при веденні очисних робіт, що так само підвищує ефективність заходів з охорони праці гірників у вугільних шахтах.

Цель. Определение условий и параметров обеспечения устойчивости кровли пласта с податливой опорой в призабойном пространстве и позади очистного забоя под воздействием динамических нагрузок на основе аналитических и лабораторных исследований. Методика. Для достижения поставленной цели были выполнены аналитические исследования с применением основных положений теории упругости и колебаний, гипотезы балок и шарнирно-блокового сдвижения расслоившейся породной толщи, а также лабораторные исследования моделей из эквивалентных материалов, в которых кровля угольного пласта представлена в виде балки, имеющей податливую опору переменной жесткости из закладочного материала при динамической нагрузке. Результаты. В результате выполненных исследований определен феномен, что условием устойчивости кровли угольного пласта является геометрический параметр, отражающий перемещение балки с податливой опорой, при силовом воздействии падающего груза известной массы и физико-геометрические характеристики деформируемой системы. Определено, что в результате изменения длины пролетов, происходит изменение изгибной жесткости балки, а значит влияние податливости одних и тех же опор, на устойчивость кровли угольного пласта различно. Установлены величины и исследована взаимосвязь физико-механических характеристик закладочного массива как податливой опоры. Научная новизна. Научно доказано, что напряженно-деформированное состояние системы, в которой кровля угольного пласта исследуется как балка, зависит от физико- геометрических характеристик системы, вида и места приложения внешней нагрузки, когда определен закон движения балки во времени. Практическая значимость. Эффективное поддержание подработанной породной толщи в рабочей части лавы и позади очистного забоя, достигается за счет размещения в выработанном пространстве податливых опор или применения закладки выработанного пространства при ведении очистных работ, что так же повышает эффективность мероприятий по охране труда горнорабочих в угольных шахтах.