Геомеханічне обґрунтування просторового розміщення похилих виробок при відробці вугільних пластів

Abstract

В дисертації встановлені закономірності деформації контуру основних транспортних і вентиляційних магістралей і вирішена актуальна науково-технічна задача підвищення стійкості підземних протяжних виробок вугільних шахт і зниження витрат, пов'язаних із їх експлуатацією. Натурними спостереженнями доведено, що геомеханічні процеси, котрі розвиваються навколо протяжних похилих виробок, проявляються у формі вертикальної і горизонтальної конвергенції, які змінюються у часі за експоненціальним законом, інтенсивність яких визначається положенням виробок відносно рівня підошви вугільного пласта, що припускає можливість оптимізації розташування їх в просторі з метою підвищення стійкості. Доведено на чисельних моделях, що інтенсивність зміни конвергенції dl dU , яка визначає стан гірничої виробки, чутливіша до величини аргументу l при розташуванні виробки нижче рівня вугільного пласта, що дозволяє понизити експлуатаційні витрати на її підтримування. При цьому визначене найбільш раціональне їх положення – на відстані від 7,0 м до 10,0 м нижче за рівень підошви пласта. Очікуваний економічний ефект від впровадження результатів досліджень, отриманий за рахунок зменшення обсягів ремонтних робіт, склав 1 149,46 грн/рік на 1 п.м. виробки.

В диссертации на основе впервые установленных для горно-геологических и горнотехнических условий шахты им. В.М. Бажанова ГП «Макеевуголь» закономерностей деформирования контура основных транспортных и вентиляционных магистралей решена актуальная научно-техническая задача повышения устойчивости подземных протяженных выработок угольных шахт и снижение затрат, связанных с их эксплуатацией. Комплексом визуальных и инструментальных наблюдений в двух представительных выработках шахты – Центральном вспомогательном уклоне (ЦВУ) и Центральной вентиляционной магистрали (ЦВМ), установлено, что в этих двух в целом похожих выработках, находящихся в одинаковых горно-геологических условиях, но на разном расстоянии от уровня почвы угольного пласта, форма проявлений горного давления очень схожа – в основном смещения со стороны почвы, а вот характер их развития во времени и интенсивность отличаются. Доказано, что геомеханические процессы, развивающиеся вокруг протяженных 16

наклонных выработок, проявляются в форме вертикальной и горизонтальной конвергенции, изменяющиеся во времени по экспоненциальному закону, интенсивность которых определяется положением выработок по отношению к уровню почвы угольного пласта, что предполагает возможность оптимизации расположения их в пространстве с целью повышения устойчивости. На моделях из эквивалентных материалов установлены закономерности изменения устойчивости основных магистральных выработок в зависимости от их расположения в пространстве по отношению к почве угольного пласта. Развитие деформационных процессов в моделях различается в зависимости от положения выработки относительно уровня почвы пласта. При расположении выработки на уровне почвы пласта или выше него величина и интенсивность деформаций контура выработки при максимальной величине нагрузки выше, а увеличение интенсивности деформаций наступает раньше, чем для случая расположения выработки ниже уровня пласта угля. Результаты моделирования на эквивалентных материалах показывают, что наибольшие изменения высоты и ширины выработки наблюдаются при расположении ее на уровне и в кровле пласта и практически не зависят (в диапазоне до +/- 15 м) от расстояния от выработки до почвы угольного пласта. Доказано, что наименьшие деформации приконтурного массива выработки наблюдаются при расположении ее ниже уровня пласта, то есть, исходя из величины смещения контура горной выработки, наиболее рациональное ее расположение – ниже уровня почвы пласта в диапазоне от -7,0 м до -10,0 м. Обоснована геомеханическая модель подземной протяженной выработки, пройденной в существенно неоднородной углепородной среде. На основе математического моделирования методом конечных элементов впервые для горно-геологических условий шахты им. В.М. Бажанова установлены закономерности распределения напряжений и перемещений в окрестности основных транспортных и вентиляционных магистралей и определено такое положение выработок в пространстве по отношению к уровню почвы угольного пласта, при котором устойчивость их максимальна. Доказано на численных моделях, что интенсивность изменения конвергенции dl dU , определяющая состояние горной выработки, более чувствительна к величине аргумента l при расположении выработки ниже уровня угольного пласта, что позволяет снизить эксплуатационные расходы на ее поддержание. Сравнение результатов натурных измерений и решений численных задач показывает, что они достаточно близко совпадают (разброс ≈11%), что указывает на достоверность полученного численного результата и адекватность моделей. Разработанная по результатам исследований «Методика определения местоположения главных откаточных и вентиляционных магистралей принята к использованию в ГП «Макеевуголь». Ожидаемый экономический эффект от внедрения рекомендаций, полученный за счет уменьшения объемов ремонтных работ, составил 1 149,46 грн/год на 1 п.м. выработки.

In dissertation the deformation of contour regularities of the main transport and vent workings are set and the actual scientific and technical problem of improving the mine workings sustainability in coal mines and reduce the costs of their exploitation is decided. Natural observations proved that the geomechanical processes, developing around a long inclined workings, manifested in the form of vertical and horizontal convergence, time-varying exponentially, whose intensity is determined by the location of mine workings in relation to the level of coal bed, which suggests the possibility of optimizing the location of of their in space in order to increase sustainability. Proved by numerical models that the intensity change of convergence dl dU , which determines the state of mine working, more sensitive to the argument of l at the location of mine working below the coal bed, which reduces operating costs for its maintenance. In this case, defined by the most rational of their position – at a distance of -7.0 m to -10.0 m below the level of coal bed. The expected economic effect from implementation of research results, obtained by reducing the volume of repairs has made 1 149.46 UAH / year per 1 running meters mine working.