Наукові основи оптимізації взаємодії інноваційного кріплення виробок, що повторно використовуються, з гірським масивом шахт Західного Донбасу

Abstract

Представлена дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій вирішено актуальну науково-технічну проблему оптимізації режимів взаємодії вуглевмісного масиву слабометаморфізованих порід з інноваційними кріпильними конструкціями, які включають комбіновані анкерні системи, для підтримання виїмкових виробок, що повторно використовуються; оптимізаційні рішення побудовані на базі розкриття механізму протікання процесу взаємодії у взаємозв’язку зі встановленими закономірностями впливу деформаційно-силових характеристик кріпильних конструкцій на мінімізацію параметрів проявів гірського тиску, що дозволило сформувати єдину стратегію їх ресурсозберігаючого вдосконалення для підвищення надійності та безпеки відпрацювання вугільних пластів у складних гірничо-геологічних умовах. На основі проведеного аналізу існуючих досліджень та практичного досвіду застосування інноваційних технологій підтримання гірничих виробок обґрунтовано актуальність та новизну підходу оптимізації режимів взаємодії масиву з кріпильними системами в умовах слабометаморфізованих порід при безпосередньому впливі очисних робіт у виїмкових виробках, що повторно використовуються. У роботі розглянуто комплекс взаємопов’язаних завдань, структурованих в єдину концепцію поєднання підходів до керування параметрами проявів гірського тиску та врахування особливостей застосування інноваційних кріпильних систем для підтримання виїмкових виробок, що повторно використовуються у слабометаморфізованому вуглевмісному масиві;

використано наступний алгоритм реалізації мети досліджень. Підвищення ефективності використання сучасних технологій підтримання виробок із застосуванням комбінованих анкерних систем (поєднання сталеполімерних і канатних анкерів) вимагало більш глибокого розуміння сутності процесу зрушення зміцненого вуглевмісного масиву в зоні впливу очисних робіт, для чого виконано геомеханічне обґрунтування механізму протікання цього явища у взаємодії і взаємовпливу всіх кріпильних елементів між собою з урахуванням особливостей текстури та механічних властивостей прилеглих порід. Сформульовані принципи узгодження режимів роботи кріпильних елементів та їх загальної адаптації до закономірностей проявів гірського тиску обґрунтували необхідність розгляду процесу взаємодії в координатах «зусилля – переміщення» (відображено поняттям «деформаційно- силова характеристика») з критеріями мінімізації гірського тиску та максимально можливого наближення до умови рівноміцності елементів, що становлять кріпильну конструкцію. Розкрито механізм деформування та взаємодії армопородних розпірних структур у покрівлі та рамного кріплення з прилеглим масивом, який склав базу для визначення кількісних закономірностей взаємозв’язку геомеханічних факторів і деформаційно- силових характеристик кріпильних конструкцій, що включають комбіновані анкерні системи. Розроблені вперше методичні принципи мінімізації навантаження на кріпильну конструкцію виїмкових виробок, що повторно використовуються, побудовані на комбінації багатоваріантних обчислювальних експериментів за допомогою методу скінченних елементів (визначення деформаційно-силової характеристики масиву, що знеміцнюється) і положень нормативних документів з розрахунку параметрів склепіння природної рівноваги (деформаційно-силова характеристика порід склепіння). Методика отримання деформаційно-силової характеристики масиву, що знеміцнюється, доставляє закономірності її зв’язку з основними впливними геомеханічними факторами: глибина розміщення виробки, текстура порід надвугільної товщі та їх міцнісні

властивості. При визначенні деформаційно-силової характеристики порід склепіння природної рівноваги методичні положення нормативних документів перетворені та доповнені врахуванням такого явища, як обмеження розмірів склепіння за рахунок реакції кріпильної конструкції. Тестування розроблених методичних принципів та результатів мінімізації навантаження на кріпильну конструкцію в умовах слабометаморфізованих порід вуглевмісної товщі показало їхню достатню адекватність і достовірність. Вперше встановлено закономірності впливу геомеханічних факторів на вибір оптимальних параметрів деформаційно-силової характеристики кріпильної конструкції. Закономірності отримані у вигляді графіків і рівнянь регресії. Виявлено стабільність степеневого зв’язку оптимальних параметрів кріпильної конструкції з геомеханічним показником H/R (H – глибина розташування виробки; R – середньозважений розрахункоий опір стиску прилеглих літотипів на відстань не менше 20 м) незалежно від типу текстури вуглевмісного масиву. Це дозволяє здійснювати єдину стратегію ресурсозберігаючого вдосконалення кріпильних конструкцій виїмкових виробок, що повторно використовуються і підтримуються у слабометаморфізованому масиві порід малої міцності. Обґрунтовано методичні положення послідовної реалізації етапів оптимізації режимів роботи кріпильної конструкції, що включає рамне кріплення та комбіновану анкерну систему. При цьому розкрито сутність трьох підходів до вирішення проблеми розрахунку деформаційно-силових характеристик складових елементів і кріпильної конструкції в цілому, яка базується на поєднанні та взаємному доповненні результатів досліджень на основі багатоваріантних обчислювальних експериментів та аналітичних методів будівельної механіки зі сполучною ланкою у вигляді розвитку уявлень про механізм взаємодії вантажонесучих елементів між собою і з прилеглим породним масивом у зоні впливу очисних робіт. На основі аналізу результатів багатоваріантних обчислювальних експериментів виділено чотири основні тенденції у текстурному перетворенні

порід надвугільної товщі навколо виїмкової виробки, що враховані при оптимізації деформаційно-силових характеристик розпірно-блокових структур. Вперше розроблено загальний та пошаровий механізм опору кожної розпірно- блокової структури, що входить до армопородної конструкції. При цьому враховано взаємовплив усіх кріпильних елементів у процесі протидії гірському тиску та обґрунтовано напрям оптимізації їх деформаційно-силових характеристик. Розкрито геомеханічні причини, що не дозволяють використовувати існуючий арсенал методик проведення обчислювальних експериментів з урахуванням вимог максимально можливої адекватності та достовірності результатів. Альтернативою є обґрунтований принцип поєднання технологічних прийомів обчислювального експерименту з класичними положеннями методів будівельної механіки, на основі якого розроблена нова методика оцінки стану та розрахунку деформаційно-силової характеристики армопородної структури, що включає виконання шести послідовних позицій від пошуку поточних текстурних змін у надвугільній товщі під дією очисних робіт, до підсумкового визначення трьох груп закономірностей, необхідних для оптимізації режимів роботи кріпильної конструкції: сама деформаційно-силова характеристика; зв’язок несучої здатності та піддатливості кріпильної конструкції з геомеханічним показником H/R для всіх трьох типів узагальнених текстур вуглевмісного масиву. Отримані три групи емпіричних функцій спільно з критеріями мінімізації гірського тиску створили основу для пошуку оптимальних рішень з ресурсозберігаючого забезпечення стійкості виїмкових виробок, що повторно використовуються і підтримуються у слабометаморфізованому масиві порід малої міцності. На конкретних прикладах доведено можливість досягнення цілком задовільної відповідності деформаційно-силової характеристики кріпильної конструкції оптимальним значенням. Обгрунтовано, що режим роботи кріпильної конструкції, близький до оптимального, дозволяє на непрямих

показниках (зміщення контуру виробки, втрата площі її поперечного перерізу, зростання нахльосту в замкових з’єднаннях), що визначаються експериментально, оцінити ступінь адекватності та достовірності розроблених методик. Цей новий методичний принцип виконання шахтних досліджень всебічно обґрунтований та реалізований при проведенні широкомасштабних вимірів параметрів проявів гірcького тиску в різних гірничо-геологічних і гірничотехнічних умовах підтримання виїмкових виробок, що повторно використовуються на шахтах Західного Донбасу. За підсумками порівняльного аналізу даних шахтних експериментів, маркшейдерських зйомок на вже відпрацьованих виїмкових ділянках і розрахункових залежностей їм дана позитивна оцінка: відхилення для більшості закономірностей змінювалися у діапазоні від декількох відсотків до 20 – 30%, що є цілком задовільним результатом щодо надійності гірничотехнічних розрахунків. Узагальнення всього обсягу виконаних досліджень дозволяє стверджувати: – доведено адекватність методики оптимізації режимів взаємодії масиву гірських порід з кріпильними конструкціями на прикладах цілої низки їх варіантів; – обґрунтовано достовірність методики вибору раціональних кріпильних конструкцій з режимом роботи, близьких до оптимального; – аналітично та експериментально встановлено область доцільного застосування комбінованих анкерних систем для підтримання виїмкових виробок, що повторно використовуються у слабометаморфізованому вуглевмісному масиві, – умови обмеження раціонального використання: досить стійка безпосередня покрівля з розрахунковим опором стиску заанкерованих порід зак R ≥14 – 20 МПа при діапазоні зміни геомеханічного показника / H R ≤ 45 – 50 м/МПа. Розроблені методики оптимізації режимів взаємодії гірського масиву з кріпильними інноваційними конструкціями та вибору їх раціональних параметрів прийнято до використання на шахтах ПрАТ «ДТЕК

Павлоградвугілля». Вони дозволяють здійснювати єдину стратегію ресурсозберігаючого вдосконалення кріпильних конструкцій виїмкових виробок, що повторно використовуються і підтримуються у вуглевмісному масиві слабометаморфізованих гірських порід. Сумарний фактичний економічний ефект від впровадження наукових розробок на шахтах ПрАТ «ДТЕК Павлоградвугілля» становить 388,35 млн грн, участь автора – 77,67 млн грн.

The presented dissertation is a completed scientific-research work in which the urgent scientific-technical problem of optimizing the interaction modes between the coal-bearing mass of weakly metamorphosed rocks and innovative fastening structures, including combined roof-bolting systems, has been solved in order to maintain reusable extraction workings; optimization solutions are based on disclosing the interaction process mechanism occurring in conjunction with the determined patterns of the impact of the deformation-strength characteristics of fastening structures on minimizing the parameters of rock pressure manifestations; this makes it possible to form a unified strategy for their resource-saving improvement to increase the reliability and safety of mining the coal seams in complex mining- geological conditions. Based on the performed analysis of existing research and practical experience in the application of innovative technologies for maintaining mine workings, the relevance and novelty of the approach to optimizing the interaction modes between the rock mass and fastening systems in the conditions of weakly metamorphosed rocks under the direct influence of stope operations in reused extraction workings have been substantiated. The research solves a set of interrelated tasks, structured into a single concept of combined approaches to controlling the parameters of rock pressure manifestations and taking into account the peculiarities of using innovative fastening systems to maintain reused extraction workings in a weakly metamorphosed coal-bearing mass; the following algorithm for realizing the research purpose is used.

Increasing the efficiency of using modern technologies for maintaining mine workings with combined roof-bolting systems (a combination of resin-grouted rockbolts and rope bolts) requires a deeper understanding of the essence of the strengthened coal-bearing mass displacement process in the zone of stope operations influence. For this purpose, a geomechanical substantiation of the mechanism of this phenomenon occurrence has been performed in terms of the interrelation and mutual influence of all fastening elements on each other, taking into account the peculiarities of the texture and mechanical properties of the surrounding rocks. The formulated principles of coordinating the operating modes of fastening elements and their general adaptation to the patterns of rock pressure manifestations have substantiated the need to study the interaction process within the framework of “force – displacement” (reflected by the concept of “deformation-strength characteristic”) with criteria for minimizing the rock pressure and the maximum possible approximation to the condition of equal strength elements that constitute the fastening structure. The mechanism of deformation and interaction of armored and rock thrust structures in the roof and frame support with the surrounding mass has been disclosed, which is the basis for determining the quantitative patterns of the interrelation between geomechanical factors and deformation-strength characteristics of fastening structures, including combined roof-bolting systems. The methodological principles developed for the first time to minimize the load on the fastening structure of reused extraction workings are based on a combination of multivariate computational experiments using the finite element method (determination of the weakening mass deformation-strength characteristic) and the provisions of regulatory documents for calculating the parameters of the natural equilibrium arch (deformation-strength characteristic of the rocks in the arch). The methodology for obtaining the deformation-strength characteristic of a weakening mass provides the patterns of its connection with the main influencing geomechanical factors, such as the depth of mine working location, the texture of rocks in the coal- overlaying formation and their strength properties. When determining the deformation-strength characteristic of rocks in the natural equilibrium arch, the

methodological provisions of the regulatory documents have been transformed and supplemented with account of such a phenomenon as limiting the arch size due to the fastening structure reaction. Testing the developed methodological principles and the results of minimizing the load on the fastening structure in the conditions of weakly metamorphosed rocks of the coal-bearing stratum has confirmed their sufficient adequacy and reliability. For the first time, the patterns of geomechanical factors influencing on the choice of the fastening structure deformation-strength characteristic have been determined. The patterns obtained are in the form of graphs and regression equations. The stability of the power-law relationship between the fastening structure optimal parameters and the geomechanical index H/R (H – is the depth of mine working location; R – is the weighted average resistance to compression of adjacent lithotypes at a distance of at least 20 m) has been revealed, regardless of the type of the coal- bearing mass texture. This makes it possible to implement a unified strategy of resource-saving improvement of fastening structures for reused extraction workings maintained in a weakly metamorphosed rock mass of small hardness. The methodological provisions of the sequential implementation of stages to optimize the fastening structure operating modes, including frame support and a combined roof-bolting system, have been substantiated. At the same time, the essence of three approaches to solving the problem of calculating the deformation-strength characteristics of the constituent elements and the fastening structure as a whole has been revealed. This problem is based on a combination and mutual supplementation of research results on the basis of multivariate computational experiments and analytical methods of structural mechanics with a connecting link in the form of the developed ideas about the interaction mechanism of load-bearing elements with each other and with the surrounding rock mass in the zone of stope operations influence. Based on the analysis of the results of multivariate computational experiments, four main trends in the texture transformation of rocks in the coal-overlaying formation around the extraction working have been distinguished, which are taken into account when optimizing the deformation-strength characteristics of spacer-

block structures. For the first time, both the general and layer-by-layer resistance mechanisms of each spacer-block structure included in the armored and rock structure have been developed. At the same time, the mutual influence of all fastening elements in the process of resisting the rock pressure is taken into account and the direction of optimization and deformation-strength characteristics is substantiated. The geomechanical reasons have been revealed that do not allow using the existing arsenal of methodologies for conducting the computational experiments, taking into account the requirements of the maximum possible adequacy and reliability of the results. An alternative is the substantiated principle of combining the technological methods of a computational experiment with the classical provisions of structural mechanics methods, on the basis of which a new methodology for assessing the state and calculating the deformation-strength characteristics of an armored and rock structure has been developed. This methodology includes the fulfillment of six consecutive positions from the search for current textural changes in the coal- overlaying formation under the influence of stope operations, to the final determination of three groups of patterns necessary to optimize the fastening structure operating modes: the deformation-strength characteristic itself; the dependence of the load-bearing capacity and yielding property of the fastening structure on the geomechanical index H/R for all three types of generalized coal-bearing mass textures. The obtained three groups of empirical functions, together with the criteria for minimizing the rock pressure, are the basis for searching for optimal solutions for resource-saving ensuring the stability of reused extraction workings maintained in a weakly metamorphosed rock mass of small hardness. Using the specific examples, the possibility of achieving a completely satisfactory correspondence of the fastening structure deformation-strength characteristic to the optimal values has been proved. It has been substantiated that the fastening structure operating mode, which is close to the optimal one, makes it possible, using indirect indicators (mine working contour displacement, loss of its cross-sectional area, growth of overlap in joist joints), determined experimentally, to

assess the degree of adequacy and reliability of the developed methodologies. This new methodological principle for performing mine research has been comprehensively substantiated and implemented when conducting large-scale measurements of the parameters of rock pressure manifestations in various mining- geological and mining-technical conditions for maintaining reused extraction workings in the Western Donbas mines. Based on the comparative analysis results of the data of mine experiments, as well as mine surveying of already mined-out areas and calculated dependencies, they have been positively assessed: deviations for the overwhelming majority of patterns change in the range from a few percent to 20 – 30%, which is a completely satisfactory result in terms of the reliability of mining-technical calculations. Summarizing the entire volume of research performed makes it possible to assert: – the adequacy of the optimization methodology for the rock mass interaction with the fastening structures has been proved using examples of a number of their variants; – the reliability of the methodology for choosing rational fastening structures with an operating mode close to optimal has been substantiated; – the area of expedient use of combined roof-bolting systems for maintaining the reused extraction workings in a weakly metamorphosed coal-bearing mass – conditions for limiting the rational use, – has been determined analytically and experimentally: a quite stable immediate roof with a calculated compressive resistance of roof-bolted rocks of bol R ≥ 14 – 20 MPa with a geomechanical index variation range of / H R ≤ 45 –50 m/MPa. The developed methodologies of optimizing the interaction modes of the rock mass with innovative fastening structures and the choice of their rational parameters have been adopted for use at the mines of PJSC DTEK Pavlohradvuhillia. They make it possible to implement a unified strategy for resource-saving improvement of fastening structures for reused extraction workings maintained in a coal-bearing mass of weakly metamorphosed rocks.

The total actual economic effect from the implemented scientific developments at the mines of PJSC DTEK Pavlohradvuhillia is 388.35 million UAH, the author’s participation is 77.67 million UAH.