авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Обоснование способов обеспечения устойчивости участковых подготовительных выработок в условиях шахт оао суэк-кузбасс

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

РОМАШКЕВИЧ Алексей Анатольевич

обоснование способов обеспечения устойчивости участковых подготовительных выработок в условиях шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс»

Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная,

открытая и строительная)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Шик Владимир Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Мустафин Мурат Газизович

кандидат технических наук

Согрин Борис Борисович

Ведущее предприятие ОАО «ГИПРОШАХТ»

Защита диссертации состоится 16 декабря 2009 г. в 13 ч 15 мин на заседании диссертационного совета
Д 212.224.06 в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-линия, д. 2, ауд. 1160.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института имени Г.В. Плеханова (технического университета).

Автореферат разослан 13 ноября 2009г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д.т.н., профессор Э. И. БОГУСЛАВСКИЙ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы определяется задачами повышения эффективности отработки угольных пластов длинными столбами с охраной участковых подготовительных выработок целиками.

В настоящее время ведущие отечественные угледобывающие компании переходят на работу по схеме «шахта-лава» с использованием высокопроизводительных очистных комплексов с охраной участковых подготовительных выработок целиками и применением анкеров в качестве основной крепи. Доказана возможность в горно-геологических условиях шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» работать с нагрузками более 4 млн.т. угля в год.

Рост нагрузки очистных забоев сдерживается неудовлетворительным состоянием подготовительных выработок на сопряжениях с лавой. Как показывает опыт отработки пластов на шахтах им. С.М. Кирова, «Полысаевская», «Талдинская-Западная-1», «Талдинская-Западная-2», «Котинская» и «№ 7», причинами, ограничивающими нагрузку на очистные забои и снижающими безопасность ведения горных работ, являются: интенсивное заколообразование в кровле, разрушение закрепленных стенок выработок и, как следствие, увеличение высоты и объема вывалов пород кровли, закрепленных штанговой анкерной крепью (стальной стержень, закрепленный полимерным составом).

Имеется значительное количество отраслевых и бассейновых нормативных документов, содержащих рекомендации по расчету параметров анкерного крепления и охране выработок целиками, однако в условиях шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» не обеспечивается устойчивое состояние выработок в течение их срока службы: вокруг выработок развивается зона деформаций и разрушений в слабых вмещающих породах. Одной из важных причин снижения устойчивости участковых подготовительных выработок в специфических условиях шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» является несоответствие параметров крепи условиям ее применения. Практика показала, что обеспечить устойчивость участковых подготовительных выработок, закрепленных штанговыми анкерами, при парной подготовке возможно дополнительным креплением канатными анкерами.

Вопросами обеспечения устойчивости участковых подготовительных выработок занимались ученые К.А. Ардашев, Н.П. Бажин, А.А. Борисов, Ю.В. Громов, И.Е. Долгий, В.П. Зубов, О.И. Казанин, О.В. Ковалев, Г.И. Коршунов, Ю.Н. Кузнецов, А.С. Малкин, О.И. Мельников, А.Г. Протосеня, В.В. Райский, М.И. Устинов, В.Н. Фрянов, В.М. Шик и многие другие, но обоснование параметров анкерного крепления участковых выработок, охраняемых целиками разработано недостаточно, в частности для условий шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс».

Все это определяет актуальность работы по обоснованию способов обеспечения устойчивости участковых подготовительных выработок в условиях шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс».

Цель работы. Обеспечение устойчивости участковых подготовительных выработок, закрепленных штанговыми анкерами и охраняемых целиками на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс».

Идея работы. Параметры анкерного крепления участковых выработок, охраняемых целиками, шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» необходимо определять с учетом азимута и величины горизонтальных напряжений.

Основные задачи исследований:

1. Анализ факторов, влияющих на устойчивость кровли выработок и краевых частей околоштрековых целиков на шахтах развитых угледобывающих стран.

2. Установление причин неустойчивости кровли и определение преимущественных форм деформирования и разрушения участковых подготовительных выработок на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс».

3. Изучение устойчивости подготовительных выработок, охраняемых целиками, и процессов взаимодействия крепи с породами кровли с учетом влияния повышенных горизонтальных напряжений на физических моделях.

4. Апробация результатов теоретических и лабораторных исследований крепления участковых подготовительных выработок, охраняемых целиками в условиях шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс».

Методы исследований. Для решения поставленных задач использован комплексный метод исследований, включающий: анализ и обобщение данных, опубликованных в горнотехнической литературе по проблеме устойчивости участковых подготовительных выработок в условиях высоких горизонтальных напряжений, анализ форм обрушений пород заанкерованной кровли; шахтные исследования процессов деформирования и разрушения краевых частей целиков, форм обрушений пород непосредственной кровли в подготовительных выработках; регистрация и анализ величин смещений почвы и кровли; физическое моделирование.

Научная новизна:

  • Установлена квадратическая зависимость отношения длины кровли выработки, нарушенной заколами, к общей длине этой выработки, от угла между продольной осью выработки и направлением максимального горизонтального напряжения.
  • Установлена нелинейная (гиперболическая и параболическая для различных участков по ширине выработки) зависимость формы зоны расслоения в кровле участковой выработки от величины действующих горизонтальных напряжений, позволяющая определять размеры области расслоений кровли, что необходимо для выбора параметров канатной крепи.

Основные защищаемые положения:

1. В условиях шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» на устойчивость участковых выработок при парной подготовке влияет их ориентация относительно горизонтальных напряжений и величина этих напряжений.

2. При характерной для рассматриваемых шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» ширине выработок, расслоение и разрушение непосредственной кровли происходит под действием горизонтальных сил на высоту, превышающую мощность заанкерованной кровли.

3. Для обеспечения устойчивого состояния участковых выработок, охраняемых целиком, необходимо устанавливать канатные анкера, закрепленные вне контура расслоения, геометрия которого зависит от геологических и технологических факторов.

Практическая значимость работы:

  • Разработаны рекомендации по расположению участковых подготовительных выработок относительно направления главных максимальных горизонтальных напряжений для обеспечения устойчивости этих выработок.
  • Разработаны рекомендации к совершенствованию действующих методик расчета параметров канатной анкерной крепи, позволяющие учитывать повышенные горизонтальные напряжения.
  • Разработан способ исследования анкерной крепи на моделях из эквивалентных материалов и устройство для его реализации, что позволяет повысить надежность физического моделирования процессов расслоения и обрушения непосредственной кровли.

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается обследованием более 40 выработок на шести шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс»; лабораторными исследованиями на физических моделях и анализом результатов исследований, проведенных в развитых угледобывающих странах.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных научных конференциях молодых ученых СПГГИ (ТУ) «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 2007 г., 2008 г.); 5-ой международной научно-технической конференции «Современные проблемы освоения минеральных ресурсов Севера» (г. Воркута, 2008 г.); научном симпозиуме «Неделя горняка – 2008» (МГГУ, г. Москва); научных семинарах кафедры разработки месторождений полезных ископаемых СПГГИ (ТУ).

Личный вклад автора:

- сформулированы цель, идея и задачи исследований;

- выполнен анализ отечественной и зарубежной горнотехнической литературы по проблеме диссертации;

- разработана методика и проведены исследования устойчивости участковых подготовительных выработок на шести шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс»;

- разработана методика моделирования процессов деформирования и разрушения вмещающих пород в окрестности штреков, расположенных в поле повышенных горизонтальных напряжений; изготовлены и отработаны две модели из эквивалентных материалов;

- на прессовом оборудовании испытаны более 200 образцов для подбора эквивалентных материалов;

- выполнены обработка и интерпретация полученных результатов;

- сформулированы основные защищаемые положения и выводы;

- разработаны практические рекомендации по обеспечению устойчивости участковых подготовительных выработок, охраняемых целиками угля, закрепленных штанговой анкерной крепью.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 5 печатных работ, из них 2 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получен 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 189 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 99 наименований, включает 94 рисунка, 11 таблиц, 5 приложений.

Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., проф. В.М. Шику за постоянное внимание к данной работе, помощь в определении общей идеи работы, направлений исследований и интерпретации полученных данных; техническим работникам ОАО «СУЭК-Кузбасс» за помощь в сборе информации и проведении шахтных исследований; сотрудникам кафедры разработки месторождений полезных ископаемых и лаборатории моделирования научного центра Геомеханики и проблем горного производства Санкт-Петербургского горного института за полезные замечания и ценные советы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертационной работы на основе анализа горнотехнической литературы обоснована необходимость учета влияния горизонтальных напряжений на устойчивость участковых подготовительных выработок для выбора способа обеспечения устойчивости. Проведен сравнительный анализ горно-геологических условий шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» с шахтами развитых угледобывающих стран. Сформулированы цели и задачи исследований.

Во второй главе приведены результаты натурных исследований на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс», в результате которых установлено: 1) параметры способов обеспечения устойчивости участковых выработок не имеют достаточного обоснования; 2) формы проявления горного давления: интенсивное заколообразование; «обыгрывание» анкеров в кровле выработок; плитообразный отжим с потерей устойчивости слоев заанкерованной кровли - свидетельствуют о присутствии повышенных горизонтальных напряжений.

В третьей главе приведены результаты физического моделирования процессов деформирования и разрушения кровли выработок, охраняемых целиками, на моделях из эквивалентных материалов в условиях повышенных горизонтальных напряжений.

В четвертой главе представлены разработанные рекомендации по расположению участковых подготовительных выработок, охраняемых целиками, и расчету параметров их крепи на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс»

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

1. В условиях шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» на устойчивость участковых выработок при парной подготовке влияет их ориентация относительно горизонтальных напряжений и величина этих напряжений.

Анализ опыта отработки пологих пластов показал, что обеспечение производительности очистных забоев на уровне 10 - 15 тыс. т угля в сутки и более - итог целого комплекса организационно-технических и технологических мероприятий, среди которых особого внимания заслуживает применение анкерной крепи как основного средства крепления подготовительных выработок.

Анализ исследований, проведенных в США и Кузбассе, показал, что отношение максимальных горизонтальных напряжений x к вертикальным гравитационным H ( – средний объемный вес пород, Н – глубина) на сравнительно небольших глубинах до 500 м, может на отдельных шахтах составлять 1,5 – 2. В таких условиях требуется дополнительное обоснование способов и параметров крепления.

Для проведения шахтных исследований использовался метод оценки напряженного состояния, основанный на анализе визуально наблюдаемых трещин в кровле и стенках горных выработок, который дает возможность по ориентировке этих трещин установить направление горизонтальных напряжений и дать относительную оценку их величин. Это метод при изучении полей напряжений в Кузбассе широко использовали А.А. Белицкий, А.С. Забродин, П.В. Егоров.

На шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс» изучением полей исходных напряжений длительное время занимается главный геолог А.И. Екимов. С учетом полученных им результатов, проведены исследования процессов деформирования и разрушения участковых подготовительных выработок, в результате чего установлено, что действующее максимальное главное горизонтальное напряжение на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс» в среднем имеет северо-восточное направление под углом 40°.

В результате шахтных исследований и анализа опыта поддержания участковых подготовительных выработок на шахтах «Полысаевская», им. С.М. Кирова, «Талдинская-Западная - 1», «Талдинская-Западная - 2», «Котинская», «№ 7» установлено, что, помимо строения и свойств комплекса пород кровли, на устойчивость участковых подготовительных выработок влияют повышенные горизонтальные напряжения.

Участковые выработки пройдены в породах осадочного типа, из которых можно выделить алевролиты средне- и мелкозернистые от неустойчивых до среднеустойчивых, слоистые песчаники мелко- и среднезернистые, трещиноватые.

Породы по устойчивости на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс» относятся к следующим типам:

- неустойчивые в зонах тектонических нарушений;

- средней устойчивости, трещиноватые, средней крепости.

Стенки участковых выработок представлены углем крепостью от 0,7 до 1,5 по шкале профессора М.М. Протодьяконова.

При подготовке парными выработками можно выделить следующие характерные этапы «работы» крепи выработок: проведение выработок, время до подхода первой лавы, зона повышенного горного давления от выработанного пространства первой лавы, время до подхода второй лавы, зона опорного давления второй лавы. Самым сложным моментом является поддержание повторно используемой выработки, охраняемой целиком, после прохода первой лавы.

Анализ преимущественных форм разрушения контура выработок позволяет говорить о влиянии повышенных горизонтальных напряжений. Наблюдения показали, что интенсивность образования заколов (закол в кровле, сопровождаемый вывалом высотой более 0,2 м) в кровле выработок, приводящих к разрушениям кровли и ее обрушению, зависит от ориентации оси выработки относительно направления действия горизонтальных напряжений. В наиболее сложном состоянии находятся участковые подготовительные выработки, которые расположены перпендикулярно к действующему горизонтальному напряжению: наиболее интенсивные заколы сопровождаются вывалами пород кровли, а в выработках, закрепленных сталеполимерной анкерной крепью, отмечены многочисленные обрушения блоков слоистых пород непосредственной кровли, закрепленных согласно действующим инструкциям для этого вида крепи.

Зависимость нарушенности кровли участковой выработки заколами по данным, полученным в натурных условиях, показывает (рис.1), что по мере увеличения угла нарушенность кровли N возрастает. Аппроксимация (при корреляционном отношении  = 0,97 и коэффициенте надежности  = 3,8) полученных натурными замерами данных представлена уравнением:

N = 0,0152-0,2+2,3, % (1)

где – угол между направлением выработки и максимальным главным горизонтальным напряжением, градус.

Полученные данные необходимо учитывать при проектировании выработок. Таким образом, главным проектным параметром при наличии высоких главных горизонтальных тектонических напряжений является ориентировка штреков относительно максимального главного горизонтального напряжения.

Уменьшение угла с 90° до 45° позволяет снизить количество разрушений кровли в форме заколов, вызванных горизонтальными напряжениями, в 4 раза.

Рис. 1 – Нарушенность кровли участковой выработки заколами в зависимости от угла

На шахтах в условиях повышенных горизонтальных напряжений расслоение пород кровли распространяется выше укрепленного анкерами слоя кровли. С одной стороны полость обрушения имеет характер излома, а с другой стороны (целика)- гладкие поверхности блоков. Это показывает, что причиной разрушений кровли в зоне излома являются горизонтальные напряжения, которые способствуют развитию заколов (трещин) в кровлю, пока последние не пересекут слабый отделяющийся слой кровли выше анкеров. Образующаяся при этом плита работает как консоль, закрепленная с одной стороны, до тех пор, пока слой не разрушится, в результате чего происходит его обрушение.

2. При характерной для рассматриваемых шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» ширине выработок, расслоение и разрушение непосредственной кровли происходит под действием горизонтальных сил на высоту, превышающую мощность заанкерованной кровли.

С целью изучения напряженно-деформированного состояния массива в окрестности участковых подготовительных выработок, охраняемых целиками в условиях шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс», были проведены лабораторные исследования на моделях из эквивалентных материалов.



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.