Наукові основи підвищення стійкості виробок високоресурсним кріпленням в геодинамічних зонах очисної виїмки

Abstract

Дисертація присвячена питанням надійної й економічної підтримки підготовчих виробок на основі методів і способів керування напруженим станом металорамних кріплень і масиву, що вміщує виробку. Основна ідея роботи полягає у використанні явища утворення рухомих порушених зон навколо відслоненої поверхні (очисного вибою лави), що рухається для наукового обґрунтування й розробки високоресурсних металорамних кріплень, що забезпечують безпеку й ефективність підтримання підготовчих виробок у складних гірничо-геологічних умовах. У роботі обґрунтовано новий підхід і вимоги до деформаційно-силових параметрів кріплень; надано нове уявлення закономірностей протікання деформаційних процесів у підроблюваному масиві; установлені характер і механізм взаємодії кріплення виробки й підроблюваного масиву; обґрунтований новий підхід керування надійністю виробок за рахунок попереднього резервування й оптимізації запасу міцності кріплення при очікуваному впливі напружено-деформованих зон, що переміщаються. Це дозволило обґрунтувати й розробити нові конструкції металорамних кріплень, замкових з'єднань і шахтного спецпрофілю, які забезпечують суттєве підвищення стійкості підготовчих виробок і зниження витрат на їх підтримання.

Диссертация посвящена вопросам надёжного и экономичного поддержания подготовительных выработок на основе методов и способов управления напряжённым состоянием металлорамных крепей и вмещающего массива. Основная идея работы заключается в использовании явления образования перемещающихся нарушенных зон в окрестности движущейся обнажённой поверхности (очистного забоя лавы) для научного обоснования и разработки высокоресурсных металлорамных крепей, обеспечивающих безопасность и эффективность поддержания подготовительных выработок в сложных горно-геологических условиях. Обоснованы требования к силовым и кинематическим параметрам крепей. Установлено, что для обеспечения эксплуатационной устойчивости выработок наиболее эффективный интервал сопротивления крепи 150 – 250 кН/м2 и может увеличиваться (при глубине разработки более 1000 м) до 350 – 450 кН/м2, а более 400 кН/м2 – является нецелесообразным. Впервые дано представление закономерностей протекания деформационных процессов в подрабатываемом массиве, заключающиеся в том, что впереди движущегося очистного забоя вслед за нарастающим волнообразным изменением напряжённого состояния пород в упругом режиме деформаций происходит (на удалении порядка 1/2 длины лавы) разрушение пород, обусловленное изменением соотношения компонента напряжений, с образованием перемещающихся нарушенных зон «сжатия – разуплотнения» с периодическим расщеплением породной толщи на структурные блочно-слоистые элементы, с приближением к очистному забою протяжённость этих зон снижается, а степень разрушения – увеличивается. Установлено, что при взаимодействии зон – стационарной вокруг проведённой подготовительной выработки и движущейся впереди очистного фронта - наблюдается последовательное (по мере приближения забоя лавы) изменение внешнего граничного условия, проходящего ступенчато с нарастанием, в силу чего предельное равновесие нарушается и размеры зоны увеличиваются, а обеспечение устойчивости выработки достигается соответствующим увеличением внутреннего граничного условия, т.е. усилением крепи, которое должно упреждающе соответствовать приросту внешнего граничного условия, определяемому скоростью подвигания лавы и прочностными свойствами массива пород. Обоснован научный подход к эффективному управлению надёжностью крепи, заключающийся в резервировании и оптимизации запаса прочности конструкции, что достигается формоизменением элементов крепи, их разнорадиусным исполнением и сопряжённостью в узлах податливости, обеспечивающих сглаживание реакции крепи на воздействие перемещающихся напряжённо-деформированных зон пород. Установлено, что повышение предельной несущей способности крепи достигается дифференцированным изменением кривизны критического элемента, с увеличением которой по гиперболическому закону возрастает несущая способность (в 2 и более раз). Определены необходимые значения силовых и кинематических параметров металлорамных крепей: предельная несущая способность комплекта не менее 700 – 850 кН/раму; рабочее сопротивление не менее 450 кН/раму; конструктивная податливость для трехзвенных конструкций до 700 мм и для многозвенных конструкций до 1000 мм. Это обеспечивается формоизменением сечения к эллипсной конфигурации и дифференцированным усилением образующих элементов, совершенствованием конструкции и расположения соединительных элементов крепи (узлов податливости), применением более совершенных способов гибки образующих сегментов крепи. Разработаны конструкции крепей нового технического уровня (КШПУ-М, КЦЛ, КПП, КМП-А3(А4)Р2, КМП-А3(А5)Р2, КЦЛО). Типоразмерный ряд крепей охватывает максимальный диапазон сечений: от 9,5 до 25,5 м2. Всего создано 65 типоразмерных моделей. В новых конструкциях по сравнению с типовыми крепями достигнуто увеличение силовых характеристик в 1,5 – 2,0 и более раз. Разработан новый профиль горячекатаный для крепей горных выработок – спецпрофиль СПА, в конструкции которого поперечное сечение днища выполнено переменной толщины, которое увеличивается от плоскости симметрии к участкам сопряжения с наклонными боковыми стенками, а нижние грани фланцев сопряжены с криволинейными опорными поверхностями фланцев и расположены под острым углом к горизонтальной плоскости. Принципиальным отличием и преимуществом профиля СПА является возможность использования принципа трения в желобе, реализация которого в узлах податливости крепи позволяет повысить уровень рабочего сопротивления на 30 – 50% и стабилизировать его значение. Высокоресурсные крепи нового технического уровня внедрены в практику крепления подготовительных выработок на шахтах со сложными горно-геологическими условиями (ОАО «Павлоградуголь», ПАО «Ш/у «Покровское», ГП «Красноармейскуголь», ДУЭК, «Дзержинскуголь», Свердловантрацит», «Краснодонуголь» и др.), а также за рубежом (Болгария, Иран, Эстония). Подтверждённый экономический эффект – 93,7 млн грн.

The thesis is dedicated to safe and economic maintenance of development workings based on methods of stress state management of metal-frame supports and host massif. Basic idea of the work is usage of detected phenomena of dislocating fractured zones formation close to the moving exposed surface (longwall stope) for scientific substantiation and development of new constructions of metal-frame supports providing safety and effectiveness of development workings support in complex mining-geological conditions. New approach and requirements for strain-force parameters of supports is substantiated; new representation of laws of strain processes flow within developed massif is given; character and interaction mechanism of support and developed massif is established; new approach of workings reliability management is substantiated by way of preliminary reserving and optimization of support durability reserve with expected influence of moving stress-strain zones. It would allow to substantiate and develop new constructions of metal-frame, lock connections and mine special profile that provide significant increase of development workings stability and decrease of costs for their maintenance.