Закономірності процесу здимання порід підошви в присічних виробках глибоких вугільних шахт

Abstract

У дисертації на основі чисельного моделювання та результатів натурних вимірів запропонована і досліджена модель реологічного явища у підземних виробках, що отримано назву «здимання порід підошви». Це явище є характерним для виробок, що залягають на досить великих глибинах. В дисертації наведено залежність, що дозволяє обчислити критичну глибину, після якої приконтурний масив навколо виробки втрачає пружно-пластичну стійкість, прямо пропорційна середньозваженій міцності порід з урахуванням коефіцієнту структурного послаблення, логарифму коефіцієнту пластичного розпушення і зворотно пропорційна їх щільності, що дозволяє прогнозувати здимання порід підошви і передбачати способи запобігання цього прояву гірського тиску. В основі ідеї роботи покладено гіпотезу про біфуркацію енергетичного стану породного масиву навколо виробки, що знаходиться у пружно- пластичному стані. На чисельній скінчено-елементній моделі відпрацьовано параметри, при яких відбувається перехід моделі з одного стану в інший, з більш низьким рівнем потенційної енергії. Виконані натурні дослідження в умовах ПСП «Шахта Добропільська» ВАТ «ДТЕК – Добропіллявугілля». Отримані дані, порівняння яких з результатами чисельного моделювання дозволило стверджувати про те, що запропонована модель здимання порід підошви є адекватною і дозволяє обґрунтовано підійти до обчислення навантаження на кріплення та вибору його конструктивних елементів. Запропонований варіант комбінованого рамно-анкерного кріплення прийнятий шахтою до реалізації. Очікуваний економічний ефект від реалізації пропозиції складає 785 грн/м.

В диссертации рассматривается актуальная научно-техническая задача, связанная с моделированием и прогнозом процесса пучения пород почвы протяженных выработок угольных шахт, на ликвидацию последствий которого приходится основная часть ремонтов. Цель выполненных исследований заключается в разработке и обосновании численной модели процесса пучения пород почвы в протяженных выработках. В основу исследований положена гипотеза о бифуркации энергетического состояния пластически разрыхленных горных пород, находящихся в приконтурной области. Ввиду сложности исследуемого явления, решение задачи в замкнутом виде не представляется возможным. Численное моделирование процесса пучения пород почвы было впервые предложено в работах С.Н. Гапеева, однако не было доведено до методических рекомендаций. В настоящей работе, по сути, впервые исследована численная модель процесса пучения и определены такие ее параметры, при которых она адекватно отражает деформации, происходящие в натурных условиях. В частности, доказано на модели и подтверждено натурными измерениями, что после прохождения точки бифуркации размеры зоны неупругих деформаций в кровле и боках выработки остаются неизменными, а в почве возрастают в 4-5 раз. Исследования выполнены для однородных и неоднородных (слоистых) моделей. Доказано, что при незначительной разнице в физико-механических свойствах вмещающих выработку горных пород (до 25 %) нагрузка на крепь может определяться без учета явления пучения, то есть как для однородного массива. При большем расхождении физико-механических свойств вмещающих пород (прочность, деформируемость) при определении нагрузки на крепь следует учитывать явления пучения пород почвы. Исследовано поведение сложной геотехнической системы «лава – парные выработки» по мере ее образования: I этап – подготовительная выработка вне зоны влияния лавы, II этап – присечная выработка; III – присечные выработки - лава. Определены условия, при которых на крепь выработки формируется нагрузка при различной ширине предохранительного целика между ними. Определена величина этой нагрузки и несущая способность рамно-анкерной системы. Установлена величина коэффициента запаса прочности. Показано, что его величина для горно-геологических условий шахты «Добропольская» должна быть не менее 2,0. Выполнен комплекс натурных измерений в выработках шахты «Добропольеуголь». Получены временные закономерности процесса поднятия пород почвы, которые аппроксимированы соответствующими аналитическими зависимостями. Они внесены в алгоритм расчета, что позволило осуществить прогноз развития во времени деформаций контура выработки и разработать соответствующую методику. Определено влияние количества анкеров первого и второго уровней на величину поднятия пород почвы. Предложен вариант комбинированной рамно- анкерной крепи для горно-геологических условий 8-го вентиляционного штрека 8-й северной лавы пласта l 3 шахты «Добропольская». Численная модель процесса вспучивания пород почвы в протяженных выработках может быть исследована для прогноза объемов ремонтных работ и оценки эффективности применяемых систем рамно-анкерной крепи. Разработаны и внедрены «рекомендации по определению параметров рамно-анкерной крепи в условиях пучения пород почвы для горно- геологических условий шахты «Добропольская» ОАО «ДТЭК – Добропольеуголь». Ожидаемый экономический эффект от уменьшения объема ремонтных работ, связанных с ликвидацией последствий процесса пучения (перестилка рельсового пути, устройства водоотливной канавки, подрывка пород почвы) составит 785 грн./м.

In the thesis, model rheological phenomena in underground workings was proposed and investigated based on numerical modeling and results of field measurements, it was called " heaving rock ground". This phenomenon is typical for workings, that underlay at sufficiently large depths. In the thesis dependence was result, that allows to calculate the critical occurrence depth. Hypothesis of bifurcation energy state of rock mass around the workings located in elastic-plastic state was basad of idea. Parameters were worked out on the numerical finite-element model, at which there is a transition model from one state to another, with lower levels of potential energy. Field research were performed under conditions PSP «Shakhta Dobropil's'ka» VAT «DTEK – Dobropillyavuhillya». Comparison obtained data with the results of numerical modeling allowed to assert that proposed model of heaving rock ground is adequate and allows substantiated to approach to calculating the load on the bolting and choice its structural elements. Proposed option of combined frame- anchor bolting was accepted by mine to implementation. The expected economic effect from the proposal will be 785 hrn./m.