Обґрунтування параметрів підвищення стійкості виїмкових виробок із застосуванням податливої рамно-анкерної системи

Abstract

У дисертаційній роботі надано нове рішення актуальної науково-технічної задачі ресурсозберігаючого управління проявами гірського тиску в підготовчих виробках шахт Західного Донбасу за рахунок саморегулювання станом системи «масив-рама-анкер» забезпеченням адаптивних режимів опору рамно-анкерного кріплення, яке має просторово-піддатливе міжелементне з’єднання. Захищаються встановлені закономірності інтенсивного навантаження слаб-ких шаруватих порід боків виробки з боку двох утворень підвищеної жорстокості – зміцненої анкерами армопородної вантажонесучої плити в покрівлі й цілісного ви-сокоміцного вугільного пласта, у результаті чого активно проявляється так званий «ефект штампа», коли знеміцнені від концентрацій напружень слабкі породи в бо-ках виробки видавлюються в її порожнину, деформуючи стояки рамного кріплен-ня; із цієї причини виявлене стабільне утворення в стояках рами великих областей пластичного стану їх матеріалу (у районі опор стояків довжиною до 0,5-0,6 м і в районі п'яти склепіння довжиною 0,8-0,9 м) незалежно від структури прилеглих порід, площі перерізу виробки й застосовуваного номера спецпрофілю СВП рам-ного кріплення. Виявлено основну причину – роздільну роботу анкерів і рам по опору проявам гірського тиску. Доведено, що завдяки просторово-піддатливим зв'язкам анкерів і рам у єдиній вантажонесучій системі підтримується процес са-морегулювання навантаження на основні несучі елементи (зміцнені породи, раму й анкери), у результаті якого вантажонесуча система в цілому наближається до ре-сурсозберігаючого стану рівноміцності елементів, адаптуючись у просторі до збу-рювань гірського тиску. Розробленим методом розрахунку параметрів рамно-анкерного кріплення, аналітичними й експериментальними дослідженнями доведена можливість зни-ження металоємності рамного кріплення до 30% за рахунок створення просторо-во-піддатливих зв’язків з анкерами. Розроблена методика розрахунку, яка поєднує прогноз проявів гірського тиску (з вибором рамного кріплення) з розрахунком самих механічних зв’язків і вузлів їх кріплення на анкерах і рамах. Дослідно-промислові випробування удо-сконаленої конструкції рамно-анкерного кріплення проведені на шахтах ПАТ «Павлоградвугілля».

Защищаются установленные закономерности интенсивного нагружения слабых слоистых пород боков выработки со стороны двух образований повы-шенной жесткости – упрочненной анкерами армопородной грузонесущей плиты в кровле и целостного высокопрочного угольного пласта, в результате чего активно проявляется так называемый «эффект штампа», когда разупрочненные от концен-траций напряжений слабые породы в боках выработки выдавливаются в ее по-лость, деформируя стойки рамной крепи; по этой причине выявлено стабильное образование в стойках рамы обширных областей пластического состояния их ма-териала (в районе опор стоек длиной до 0,5-0,6 м и в районе пяты свода длиной 0,8...0,9 м) независимо от структуры близлежащих пород, площади сечения выра-ботки и применяемого номера спецпрофиля СВП рамной крепи. Выявлена основ-ная причина – раздельная работа анкеров и рам по сопротивлению проявлениям горного давления. Доказано, что благодаря пространственно-податливым связям боковых анкеров и стоек рам в единой грузонесущей системе поддерживается процесс саморегулирования нагрузки на основные несущие элементы (упрочнен-ные породы, раму и анкера), в результате которого грузонесущая система в целом приближается к ресурсосберегающему состоянию равнопрочности элементов, адаптируясь в пространстве к возмущениям горного давления. Впервые разработана модель системы «массив-рама-анкер» с учетом пол-ных диаграмм деформирования каждой литологической разности, а также конеч-но-элементного построения реальных геометрических параметров рамной крепи (включая имитаторы замков податливости), сталеполимерных анкеров, механи-ческих связей и условий их силового взаимодействия. Комплексом вариантов расчета НДС усовершенствованной рамно-анкерной крепи доказано не только полное исключение областей пластического состояния материала в стойках рамы, но и формирование достаточно равномерного поля напряжений по ее контуру с обеспечением более, чем двукратного запаса прочности даже при использовании облегченного спецпрофиля СВП-19. Опытно-промышленными испытаниями усо-вершенствованной рамно-анкерной крепи установлено снижение перемещений боков выработки в 4,0 раза на уровне пяты свода и в 4,97 раза в районе опор сто-ек рам. Разработанным методом расчета параметров рамно-анкерной крепи, вы-числительными и шахтными исследованиями доказана возможность снижения металлоемкости рамной крепи до 30% за счет объединения стоек с боковыми ан-керами пространственно-податливыми связями. Разработана методика расчета, которая соединяет прогноз проявлений гор-ного давления (с выбором рамного крепления) с расчетом самих механических связей и узлов их крепления на анкерах и рамах. Опытно-промышленные испы-тания усовершенствованной конструкции рамно-анкерного крепления проведены на шахтах ПАО «Павлоградуголь».

New determination of current scientific-technical task of resource-saving management of rock pressure manifestation in the development workings of Western Donbas mines is presented due to “massif-frame-bolt” condition self-adjustment and provision of adaptive modes of frame-bolt support resistance that has spatial yieldable interelement connection. Established laws weak layered rock’s of a mine workings walls intensive load are defended from the side of two increased – reinforced by bolts of fibercrete load-bearing plate in roof and solid high-strength coal seam resulting in so-called “stamp effect”, when loosened from strain concentrations weak rocks in walls are squeezed out into its cavity and thus deforming frame support’s props; for this reason, stable formation of wide areas with plastic state in the frame’s props material (in the area of props with length up to 0.5-0.6 m and in area of the canopy’s lower part with length of 0.8-0.9 m) regardless near located rocks, cross-cut section of the working and applied special profile of support – SVP. Major reason is revealed – seperate work the bolts and frames of resistance to rock pressure manifistations. It is proved that due to spatial-yieldable connections of bolts and frames in single load-bearing system, a process of load self-control on the bearing elements is sustained (reinforced rocks, frame and bolt), consequently load-bearing system, in general, approaches resource-saving state of the elements equal strength, adapting in space to rock pressure manifistations. Possibility of frame support metal consumption to 30% due to creation of spatial yieldable connections with the bolts is proved by analytical and experimental parameters and developed frame-bolt support calculation method. Calculation methodology lop that connects forecast of rock pressure manifestations (with frame support selection) with calculation of mechanical links and joints of their fixing on bolts and frames is developed. Experimental-industrial tests of improved bolt-frame support construction are conducted at mines of PJSC “Pavlogradugol”.