ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНОЙ ВЫРАБОТКИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

Ткачёв В.А. ¹ Прозорова Ю.А. ²

¹Доктор технических наук, профессор; ²аспирант, Шахтинский институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования  «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М. И.  Платова».

ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНОЙ ВЫРАБОТКИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

Аннотация

Приведены результаты исследования влияния горно-геоло­гических и горнотехнических факторов на зону неупругих деформаций вокруг подготовительной выработки. Выявлены зависимости, оценивающие влияние формы поперечного сечения, глубины заложения выработки, типа крепи, ширины охранного целика угля на зону неупругих деформаций.

Ключевые слова: сечение выработки, геомеханические процессы, крепь, целик угля.

Tkachev V. A.¹, Prozorova Y. A.²

¹Doctor of technical science ; ²postgraduate student, South-Russia State Polytechnical Universiy named after M. I. Platov.

RESEARCH INTO DEFORMATIONS IN DEVELOPMENT FACE CAUSEOL BY MINING-GEOLOGICAL AND MINING-TECHNICAL FACTORS

Abstract

Results of the study of the impact of mining-geological and mining-technical factors upon the zone of non-elastic deformations around development face are shown. Dependences of the impact of the form of cross-section, depth of mining, kind of support, with of safety pillar on the zone of none-elastic deformation are evaluated.

Keywords: cross-section of excavation face, geomechanical processes, support, coal pillar.

Обеспечение устойчивости подготовительных выработок выемочных участков является одной из основных проблем повышения технико-экономической эффективности подземной угледобычи.

Дальнейшее развитие добычи угля неизбежно сопряжено с переходом горных работ на все более глубокие горизонты. А это, в свою очередь, ведет к увеличению интенсивности проявлений горного давления в подготовительных выработках и ухудшению их состояния. Как показывает опыт работы шахт, состояние подготовительных выработок не только определяет объем ремонтных работ, но и в определенной степени влияет на работу транспорта, а вместе с этим, и на работу очистных забоев, приводя к простоям последних, а следовательно, и к удорожанию угля.

В настоящее время имеется целый набор способов, позволяющих обеспечить наилучшую сохранность подготовительных выработок. Для решения вопроса о выборе способов обеспечения устойчивости подготовительных выработок применительно к конкретным условиям той или иной шахты необходимо, прежде всего, комплексно подходить к решению проблемы.

Подготовительная выработка в разное время находится в различных геомеханических условиях, поэтому подход к степени эффективности крепи подготовительной выработки должен быть дифференцирован.

На первом этапе функционирования выемочного штрека, когда он находится вне зоны влияния очистных работ, возможно применение технологий, обеспечивающих их устойчивость с низкой степенью капитальности. К числу таких технологий относятся: понижение напряжений на контуре выработки за счет выбора наиболее эффективной формы поперечного сечения и контурного взрывания; применение анкерных крепей, включающих в работу массив пород.

На втором этапе функционирования подготовительной выработки – в зоне влияния очистных работ, необходимо повысить степень капитальности крепления за счет установки крепи усиления.

Выбор типа крепи усиления, определение ее параметров с заданным уровнем эффективности обеспечит минимальные затраты на поддержание подготовительных выработок.

При выборе эффективных параметров крепи выемочных штреков необходимо установить границы зоны неупругих деформаций в окрестности штрека. На размеры зоны неупругих деформаций оказывает значительное влияние форма поперечного сечения подготовительной выработки, глубина ее заложения, тип и параметры крепи и  другие.

Для выявления влияния данных факторов на размеры зоны неупругих деформаций были проведены численные расчеты методом конечных элементов с помощью системы инженерных расчетов Cosmos Design Star.

В данной системе предельное состояние материала описывает критерий напряжения основанный на теории прочности Кулона – Мора, также известной, как теория внутреннего трения. Согласно этой теории разрушение материала происходит, когда компоненты основных напряжений σ₁ и σ₃ превышают пределы прочности материала на растяжение и сжатие. Условие разрушения материала может быть выражено представленными ниже неравенствами:

σ₁ ≥ σ _{lim раст.} если  σ₁>0 и σ₃>0; σ₃ ≥ -σ  _{lim сж.} если  σ₁>0 и σ₃>0; <1 если  σ₁ ≥ 0 и σ₃ ≥ 0.

Из массива выделен участок с размерами 40×40×1м. Выделенная  плоскость массива разделялась на треугольные элементы.

К расчету были приняты следующие виды поперечных сечений для незакреплённых выработок: круглое (диаметром 5м), арочное, прямоугольное и трапециевидное. Все сечения приняты шириной 5м и высотой 3м.

Вычисления выполнялись для реальных горно-геологических условий отра­ботки пласта i`₂, разрабатываемого семью шахтами Российского Донбас­са (табл. 1).

Первый вариант исследований влияния формы поперечного сечения на размеры зоны неупругой деформации вокруг выработки  был выполнен для изотропной и анизотропной моделей массива, с глу­биной  расположения выработки 300 м, 600 м, 1000 м.

   

Таблица 1 - Физико-механические свойства моделируемой толщи парод

Парода	Мощность, м	Модуль упругости, Е, ГПа	Коэфф. Пуассона, µ	Модуль сдвига, G, ГПа	Прочность на сж., Rc ГПа	Прочность на растяж., Rt МПа
Уголь	1	5	0,4	1,785	135	12,2
Кровля
Сланец песчаный	4	26	0,2	10,8	50	4,59
Аргиллит (осн. кровля)	10	30	0,3	11,53	84	9,7
Песчаник	5,5	75	0,15	32,6	135	12,2
Почва
Сланец песчаный	1	26	0,2	10,8	50	4,59
Песчаник	6,5	75	0,11	33,8	75	6,15
Сланец песчаный	12	26	0,2	10,8	50	4,59

 

В табл. 2 приведены размеры зоны неупругих деформаций в зависимости от формы поперечного сечения.

Если принять круглое сечение выработки за эталон, то отношение площади зоны неупругих деформаций (ЗНД) круглого сечения к ЗНД анализируемого сечения будет являться коэффициентом эффективности его работы в массиве.

 

Таблица 2 - Исследования влияния формы поперечного сечения на ЗНД

Площади зон неупругих деформаций (м2)/ Коэффициент эффективности
Анизотропная модель
Глубина заложения, м	Круг	Арка	Прямоугольник	Трапеция
300	7,97/1	13,16/0,6	16,68/0,48	14,07/0,57
600	14,2/1	21/0,68	25,03/0,56	24,25/0,59
1000	43,7/1	54,35/0,8	58/0,75	55,47/0,79
Изотропная модель (Песчаник Е=75 МПа)
300	0,69/1	1,89/0,36	10,48/0,07	9,185/0,08
600	6,62/1	13,7/0,48	17,76/0,37	16,15/0,41
1000	11,4/1	17,4/0,66	21,67/0,53	19,66/0,58

 

Анализ результатов расчета показал, что с увеличением глубины заложения выработки увеличивается ЗНД. Наибольшее увеличение ЗНД для круглого  сечения - 5,4 раза, наименьшее для прямоугольной выработки – 3,4 раза. Для изотропной модели расхождение в величинах ЗНД еще большее.

С увеличением глубины заложения выработки влияние формы поперечного сечения на величину ЗНД уменьшается и повышается коэффициент эффективности сечения выработки. Это связано с тем, что с определенной глубины нарушается линейная зависимость между напряжениями и деформацией. Этот факт необходимо учитывать при выборе формы поперечного сечения в пользу наиболее технологичного с точки зрения проведения и эксплуатации выработки.

Во втором варианте исследовалось влияние типа крепи на размеры ЗНД. В расчетах используется анкерная, рамная и анкерно-рамная крепи со всеми присущими им физико-механическими характерис­тиками.

Анкерная крепь представляет собой конструкцию из 5 анкеров Ø 20 мм, выполненных из легированной стали и металлической решетчатой затяжки. Для расчета ЗНД выработки с анкерной и рамной крепями было использовано прямоугольное сечение. Усилия закрепления анкеров –40 кН.

Рамная крепь представляла собой конструкцию из спецпрофиля СВП-27 и решетчатой затяжки. Сопротивление податливости рамы 290 кН.

В результате проведенных расчетов были получены эпюры зон неупругих деформаций. В качестве оценочного  критерия при сравнении результатов расчетов принята площадь зоны неупругих деформаций в кровле выработки.

Рис. 1 - Влияние анкерной,  рамной и анкерно-рамной крепей на ЗНД вокруг выработки, в зависимости от глубины ее расположения

 

На рис. 1 представлены графики зависимостей влияния типа крепи на ЗНД для анизотропной модели. Анализ данных зависимостей показывает, что уровень влияния анкерной крепи на ЗНД значительно выше, чем рамной крепи. Это связано с тем, что анкерная крепь является консолидирующей, она включает в работу саму породу.  Наилучшим вариантом является применение комбинированной крепи – анкерно-рамной.

В третьем варианте исследовалось влияние ширины целика угля на  размеры ЗНД при креплении штрека наиболее эффективной анкерно-рамной крепью. На рис. 2 приведен график зависимости влияния ширины целика на размеры ЗНД. Как видно из графика с увеличением ширины целика  до 15 м наблюдается уменьшение величины ЗНД. Дальнейшее увеличение ширины целика угля не влияет на размеры ЗНД.

Рис. 2 - График зависимости влияния ширины целика на  размеры ЗНД вокруг подготовительной выработки

 

Приведенные исследования позволили выявить механизм влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на устойчивость подготовительных выработок. Данные исследования позволят более корректно проектировать параметры крепления и охраны подготовительных выработок.

Литература

1. Кошелев К.В., Петренко Ю.А., Новиков А.О. Охрана и ремонт горных выработок – М.: Недра, 1990. – 218с.
2. Ткачев В. А., Страданченко С.Г., Привалов А.А. Эффективные способы крепления и поддержания горных выработок на основе ресурсосберегающих технологий. – Ростов н/Д: Изв. вузов Сев.- Кавк. регион, 2005.

References

1. Koshelev K.V., Petrenko Ju.A., Novikov A.O. Ohrana i remont gornyh vyrabotok – M.: Nedra, 1990. – 218s.
2. Tkachev V. A., Stradanchenko S.G., Privalov A.A. Jeffektivnye sposoby kreplenija i podderzhanija gornyh vyrabotok na osnove resursosberegajushhih tehnologij. – Rostov n/D: Izv. vuzov Sev.- Kavk. region, 2005.