Обґрунтування взаємодії кріплення із композитних матеріалів підготовчих виробок зі слабометаморфізованими породами шахт Західного Донбасу

Abstract

Дисертацію присвячено підвищенню стійкості шаруватого масиву навколо підготовчої виробки у слабометаморфізованих породах Західного Донбасу із застосуванням арочного вуглепластичного кріплення. Стабільність функціонування вугільної шахти залежить від стійкості гірничих виробок, серед яких типові металеві арочні кріплення перебувають у неналежному стані експлуатації. Аналіз вугільної промисловості України показує, що кріплення гірничих виробок потребують комплексної модернізації шляхом застосуванням нових видів матеріалів, які будуть міцні, гнучкі та легкі. Враховуючи такі обставини, проблема стійкості гірничих виробок є актуальною та потребує нових інноваційних рішень. У фундаментальних дослідженнях представників зарубіжних та вітчизняних наукових шкіл встановлено, що для ефективної роботи очисних вибоїв необхідно зменшувати металоємність кріплень, так як нові матеріали будуть простішими у монтажі та безпечнішими для них. У зв’язку з цим до основних завдань дисертаційного дослідження віднесено: розкриття механізма взаємодії арочного вуглепластичного кріплення з шаруватим масивом та встановлення закономірності розподілу інтенсивності напружень для встановлення раціональних параметрів кріплення. Результати теоретичних та експериментальних досліджень процесів нерівномірного розподілу тиску навколо виробки дають змогу прогнозувати небезпечні зони при веденні очисних робіт. За результатами досліджень встановлено, що арочні металеві кріплення потребують вдосконалення шляхом застосування нових видів кріплень.

У роботі проведений аналіз основних видів композитних матеріалів з урахуванням їх фізико-механічних властивостей, який показав, що для конструкції кріплення при веденні очисних робіт у складних умовах видобутку кращим є вуглепластик. За допомогою програмного продукту SolidWorks, у роботі проаналізований характер розподілу тиску навколо підготовчої виробки та сформовані результати дослідження напружено-деформованого стану шаруватого масиву у взаємодії з вуглепластичними кріпленнями різних форм перетину в умовах Західного Донбасу в слабометаморфізованих породах. Також, був проведений аналіз математичного та лабораторного дослідження для визначення зон нерівномірного напруження навколо виробки та зміцнення шаруватого масиву шляхом застосування арочного вуглепластичного кріплення. Шляхом моделювання взаємодії шаруватого масиву та арочних вуглепластичних кріплень були обґрунтовані нові способи зниження нерівномірного тиску навколо гірничої виробки у досліджуваних умовах. Важливою складовою достовірностей отриманих результатів є проведення лабораторних досліджень. Задача полягала у підтвердженні коректності математичного моделювання для вибору раціональних параметрів кріплення для еквівалентної моделі з пластиків. Лабораторний метод дослідження геомеханічних процесів дав можливість повністю відобразити процес зміщень масиву та зробити виміри, які складно отримати за допомогою аналітичних методів чи спостережень в шахтних умовах. Отримана математична та фізична моделі дозволили вивчати процеси з певним ступенем спрощення. Результати проведених досліджень показали, що вуглепластики можуть бути використані для системи кріплень, при їх використанні зміщення контуру виробки зменшилось на 20 %. На базі проведених експериментальних досліджень з'ясовано, що деформації у шарах порід при збільшенні навантаження проявляються з плином часу. При застосуванні нового типу кріплення зменшилась концентрація напружень  від 0,4 до 2,0 навколо виробки у порівнянні з металевим арочним кріпленням профілю СВП 27. Розбіг між математичним та лабораторним дослідженням склав 15 %. Застосування арочного вуглепластичного кріплення при веденні очисних робіт в умовах шахт Західного Донбасу дозволяє отримати економічний ефект у 650 тисяч гривень для підготовчої виробки довжиною 600 метрів.