Обґрунтування раціональних параметрів кріплення із композитних матеріалів для гірничих виробок вугільних шахт, що розташовані на глибинах понад 1000 метрів

Abstract

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної для вугледобувної галузі науково-технічної задачі обґрунтування раціональних параметрів кріплення із композитних матеріалів для гірничих виробок вугільних шахт, що розташовані на глибинах понад 1000 метрів, яка вирішена шляхом використання виявлених закономірностей зміни напружено-деформованого стану вуглевмісного масиву, параметрів навантаження гірських порід на кріплення підготовчих виробок. Для вирішення поставлених у роботі завдань виконано аналіз використання композитних матеріалів у різних галузях промисловості. За його результатами встановлено, що краще використовувати композитні матеріали на основі вуглепластичних волокон. Проаналізовано можливості використання вуглепластиків у елементах кріплення гірничих виробок. Фізико-механічні властивості композитів відрізняються від металевих тим, що густина вуглепластику складає 1500 кг/м 3 , в той же час як густина металу становить 7750 кг/м 3 . З цього можна зробити висновок, що даний інноваційний матеріал буде в 5 разів легшим за сталь. На підставі сучасних вимог до конструкцій кріплення гірничих виробок розроблено дві моделі кріплення із композитних матеріалів: арочне піддатливе кріплення постійного перерізу та арочне кріплення змінного перерізу. Інноваційне кріплення дозволить збільшити темпи проведення гірничих виробок, зменшить трудомісткість робіт, що виконуються та підвищить безпеку праці шахтарів з прискоренням роботи зміни. Для виконання обчислювального експерименту розроблено методику проведення обчислювального експерименту з обґрунтування взаємодії композитного кріплення з гірським масивом. Методикою проведення експерименту передбачалася побудова моделі вуглевмісного масиву та композитного кріплення. На базі програмної системи скінченно-елементного аналізу ANSYS проведено серію обчислювальних експериментів у пружній та пружно-пластичній постановці з поданням реальної картини напруження у композитному кріпленні. У результаті обчислювального експерименту отримано поля розподілу концентрацій інтенсивності напружень у гірському масиві та композитному кріпленні за різних гірничо-геологічних умов та різному перерізі композитного кріплення, що зводиться у виробленому просторі. Аналіз розрахункових даних показав, що при збільшенні перерізу композитного кріплення значно знижуються як абсолютні значення максимумів напружень, так і області їх поширення, підвищується стійкість породних шарів надвугільної товщі зі зниженням навантаження на кріпильну систему виїмкової виробки. Визначено, що переріз композитного кріплення змінюється за степеневою залежністю від співвідношення глибини проведення виробки H та середнього розрахункового опору на стискання R гірських порід. Це дозволяє прогнозувати стійкий стан виробки протягом усього терміну її експлуатації. Встановлено, що навантаження на композитне кріплення підготовчої виробки, знаходиться в прямо пропорційній степеневій залежності від параметра H/R і обернено пропорційно перерізу композитного кріплення. Це забезпечує вибір параметрів системи композитного кріплення зі зниженою матеріаломісткістю без погіршення стійкості виробки. За результатами виконаних досліджень розроблено та обгрунтовано кріплення із композитних матеріалів для вугільних шахт, що розташовані на великих глибинах, що дозволить збільшити темпи проведення гірничих виробок, зменшить трудомісткість робіт, що виконуються та підвищить безпеку праці шахтарів з прискоренням роботи зміни. Таким чином, дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій на основі вперше встановлених закономірностей розподілу тиску на композитне кріплення вирішено актуальне науково-технічне завдання, яке полягає в обґрунтуванні раціональних параметрів кріплення із композитних матеріалів для гірничих виробок вугільних шахт з урахуванням глибини розробки, а також ведення очисних робіт. Результати роботи дозволяють розробити рекомендації щодо удосконалення кріплення виробленого простору новими видами кріплення у складних умовах видобутку вугілля в умовах ШУ «Покровське», а також мінімізувати аварійні випадки, пов’язані з посадкою кріплення «на жорстку базу» і тим самим підвищити стійкість виробок, що проводяться.