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 |

Эффективныхспособов борьбыс пучением пород почвы в подготовительных выработкахугольных шахт

-- [ Страница 1 ] --

На правахрукописи

САВЧЕНКО ЕгорСергеевич

Обоснование эффективныхспособов

борьбыс пучением пород почвы

в подготовительных выработках
угольных шахт

Специальность 25.00.22–«Геотехнология (подземная,

открытая,строительная)»

Автореферат

диссертации на соисканиеученой степени

кандидата техническихнаук

Новочеркасск– 2010

Работа выполнена в Шахтинскоминституте (филиале) Государственногообразовательного учреждения высшегопрофессионального образования«Южно-Российский государственныйтехнический университет (Новочеркасскийполитехнический институт)» на кафедре«Подземное, промышленное, гражданскоестроительство и строительныематериалы».

Научный руководитель– доктортехнических наук, доцент

ПриваловАлександр Алексеевич

Официальныеоппоненты: доктор технических наук, доцент

СарычевВладимирИванович

кандидат техническихнаук

Коренной ЮрийПетрович

Ведущая организация– ОАО«Научно-исследовательский
институт горной геомеханики имаркшейдерского дела – Межотраслевойнаучный центр ВНИМИ»,
г.Санкт-Петербург.

Защита состоится« » июня 2010 г. в 1000 часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.304.07 приЮжно-Российском государственномтехническом университете (Новочеркасскомполитехническом институте) по адресу: 346428,г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132,ЮРГТУ(НПИ), аудитория 107, тел./факс: (863-52) 2-84-63,email: ngtu@novoch.ru.

С диссертацией можноознакомиться в библиотеке ЮРГТУ(НПИ)(г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132).

Авторефератразослан «____» апреля 2010 г.

Ученыйсекретарь

диссертационногосовета Плешко Михаил Степанович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКАРАБОТЫ

Актуальность работы.При разработке угольныхместорождений довольно часто встречаютсядеформации пород в виде выдавливания ихвнутрь выработок – пучение. Обычно оно наиболееинтенсивно проявляется со стороны почвыугольного пласта в подготовительныхвыработках. Вследствие особенностейгенезиса угольных месторожденийнепосредственная почва пластов, какправило, сложена более слабыми посравнению с остальными породамиразностями. Кроме того, в них развиты зонысдвига, вызванные разной степеньюуплотнения пород и последующимитектоническими процессами.

Пучение пород почвычрезвычайно усложняет ведение горныхработ, опыт показывает, что уже придостижении в выработках величин пученияболее 300 - 350 мм необходимо применениеспециальных мер борьбы с ним.

Многочисленныенаблюдения в горных выработках показали,что интенсивность и абсолютная величинаперемещений при пучении связаны с большимколичеством горно-геологических ипроизводственных факторов. В настоящеевремя раскрыт механизм пучения, выявлены иопределены основные закономерности,разработаны методики прогноза иобоснованы возможные способы борьбы спучением для различных глубин ведениягорных работ и типов вмещающих пород. Приэтом было доказано, что наибольший эффект вборьбе с пучением достигается путемразгрузки вмещающего выработку массива отвысоких напряжений. В качестве способовразгрузки предлагаются: проведениеразгрузочных выработок, созданиеразличного рода щелей и скважин, взрываниепород с образованием в почве зон дробленияи т.п. Данные решения характеризуютсявесьма сложной технологией работ, большойтрудоемкостью и стоимостью.

Это приводит к тому, чтов практике эксплуатации угольных шахтосновным способом по-прежнему остаетсяподрывка вспучившихся пород, т.е.ликвидируются последствия этого явления, ане его причины. При этом достигается толькократковременный и незначительный эффект, ав долгосрочной перспективе на борьбу спучением расходуются большие материальныеи трудовые затраты.

В последнее время внаучной и технической литературепоявились сведения об успешном примененииспособа борьбы с пучением путем креплениякровли сталеполимерной анкерной крепьювысокой несущей способности. Однако вработах не приведены объяснения этогоэффекта (авторы не могут его объяснить), неразработаны методики расчета параметров исхем анкерного крепления, приводящие квозникновению указанного эффекта, неопределена область применения данногоспособа.

Решению этих задач ипосвящена данная работа.

Диссертационная работавыполнена в рамках темы НИР 17.05«Исследование геомеханических процессовподземного пространства, влияние этихпроцессов на сопутствующие среды и земнуюповерхность», выполняемой в Шахтинскоминституте ЮРГТУ (НПИ) по заданиюФедерального агентства пообразованию.

Цель работы: обоснование эффективных способовборьбы с пучением пород почвы вподготовительных выработках угольныхшахт, обеспечивающих снижение затрат приих эксплуатации.

Идея работы: снижение концентраций напряжений вбоках подготовительной выработки идавления на почву пласта, приводящих кразвитию ползучести пород почвы,достигается увеличением площади опорыкровли на бока выработки за счет упрочнения слоистойструктуры пород кровли сталеполимернойанкерной крепью с обоснованнымипараметрами.

Задачи исследований.Для достижения поставленнойцели необходимо решить следующие основныезадачи:

1. Выполнить анализмеханизма и схем возникновения пученияпород почвы и установитьпричинно-следственную связь этого явленияс природными и техногеннымифакторами.

2. Исследоватьзакономерности изменения нагрузок напочву выработки путем разработкирациональных схем и параметров креплениякровли сталеполимерной анкернойкрепью.

3. Разработатьрекомендации по борьбе с пучением почвывыработок путем крепления ее кровлисталеполимерной анкерной крепью высокойнесущей способности.

4. Определить областьприменения и выполнить оценкуэкономической эффективностиразработанных решений.

Методы исследований.В работе использованкомплексный метод исследований,включающий анализ состояния вопросаспособов борьбы с пучением, натурныеэксперименты в условиях шахт«Комсомольская» и «Заполярная»,моделирование с помощью эквивалентныхматериалов в лабораторных условиях;аналитические методы прогнозированияустойчивости пород в окрестностивыработок, статистический анализ данныхнатурных и лабораторныхисследований.

Защищаемыенаучные положения:

1. Влияние искусственнойзоны разгрузки в угольном пласте напучение почвы подготовительной выработкизаключается в уменьшении ширины зоны ееразрушения от сдвига под пластом,уменьшении коэффициента разрыхления породпри разрушении под воздействием сжимающихнапряжений от изгиба в результате болееплавного перехода ее от зоны опорногодавления к зоне разгрузки, при этом в зонеразгрузки величина горизонтальныхнапряжений даже в непосредственной почве уграниц с зоной опорного давления являетсяблизкой к исходной, равной .

2. Уменьшение напряженийв боках выработки и снижение давления на еепочву можно обеспечить путем креплениякровли сталеполимерными анкерамиглубокого заложения, высокой (более 100 кН),несущей способности, устанавливаемыми подуглом 45 - 50° кгоризонтальной оси, при этом проекцияанкера на горизонтальную плоскостьопределяет ширину разгруженной зоны вбоках выработки.

3. Интенсивность ивеличина пучения пород почвы определяетсяотношением между глубиной анкерованиякровли и шириной выработки, при этом сувеличением этого соотношения с 0,25 до 0,55величина пучения снижается в 2 раза, а привеличине отношения менее 0,25 установкаанкеров практически не влияет на пучениепочвы.

Научнаяновизна работы:

1. Установлено, что набольших глубинах в породах среднейкрепости эффективным способом борьбы спучением почвы является разгрузка массиваот высоких напряжений путем создания вбоках выработки разгруженных зон шириной1,0 - 1,2 hpазл.max, где hpазр.max– возможнаяглубина разрушения пород почвы.

2. Доказано, что проекцияна горизонтальную плоскость анкера длинойравной 0,5В иболее, где В– пролетвыработки, установленного под углом45° - 500 к горизонтухарактеризует ширину разгруженной зоны вбоках выработки, при этом имеет местовыравнивание давления по ширине этой зоны,что уменьшает нагрузку на бока и почвувыработки, а пик давления перемещается всторону массива на расстояние (0,550,6)В, при этом наибольшийэффект разгрузки достигается, когдагоризонтальная проекция анкерной крепи подлине превышает расстояние от стенкивыработки до области максимума опорногодавления.

3. Получена зависимостьуменьшения величины пучения пород почвы ототношения между длиной наклонноустановленных сталеполимерных анкеров ишириной подготовительной выработки.

Обоснованность идостоверность научных положений подтверждается использованиемапробированных аналитических иэкспериментальных методов,представительным объемом данных,полученных в лабораторных и натурныхусловиях (выполнены исследования на 4моделях из эквивалентных материалов и 20замерных станциях в угольных шахтах),хорошей сходимостью расчетных ифактических параметров работы анкернойкрепи выработок, положительнымрезультатом промышленных испытанийпредложенного способа борьбы с пучениемпород почвы.

Практическоезначение работы заключается в:

–разработке способа борьбы с пучением породпочвы путем крепления кровлисталеполимерной анкерной крепью высокойнесущей способности;

–разработке методики расчета параметровкрепления кровли подготовительнойвыработки с учетом уменьшения прогнознойвеличины пучения почвы;

–разработке и промышленном испытаниипаспортов крепления выработки наэкспериментальных участках, позволившихуменьшить величину пучения пород почвы иснизить затраты на поддержаниевыработок.

Реализация работы.Результаты работыиспользованы при креплении кровлианкерной крепью на шахтах ОАО «Норильскийникель» и «ЮжКузбассуголь».

Апробация работы. Результаты диссертационной работыдоложены на международных научныхсимпозиумах и конференциях: «Неделягорняка» (г. Москва, 2009  - 2010 гг.); 57 - 59научные конференции Шахтинского институтаЮжно-Российского государственноготехнического университета (г. Шахты, 2007 -2009 гг.); «Совершенствование технологиистроительства шахт и подземныхсооружений» (ДонНТУ, 2007 г.); на открытомтехническом совещании ОАО «Воркутауголь»,10 - 12 сентября 2009 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5научных работ, в том числе 3 статьи визданиях, рекомендованных ВАК МинобрнаукиРоссии.

Объем и структурадиссертации. Диссертационнаяработа состоит из введения, четырех глав изаключения, изложенных на 133 страницахмашинописного текста, содержит 1 таблицу, 36рисунков, список использованныхисточниковиз 55 наименований.

ОсновноеСОДЕРЖАНИЕРАБОТЫ

В первой главе диссертации проведен анализфакторов, влияющих на процесс пученияпород в подготовительных выработках,способов борьбы с этим явлением, вопросаизученности и методов оценкинапряженно-деформированного состоянияпучащих пород.

Во второй главе выполнено аналитическоеисследование процесса пучения вподготовительных выработках, установленыстадии разрушения пучащих пород почвы,получены графики, характеризующиеизменения вертикальных напряжений впородах почвы и их влияние на состояниеподготовительных выработок.

В третьей главе представлены результатымоделирования процессов пучения породпочвы в подготовительных выработках,определена степень влияния анкерной крепина поведение вмещающих пород и состояниевыработок.

В четвертой главеразработаны паспортакрепления подготовительных выработок,направленные на снижение величин пученияпород почвы, приведены результатыиспользования разработанного способаборьбы с пучением подготовительныхвыработок в зоне влияния очистных работ ивне ее, выполнена технико-экономическаяоценка предложенных решений.

Явлению пучения породпочвы посвящены обширные исследования,включающие теоретические разработки иэкспериментальные исследования в шахтныхи лабораторных условиях.

Изучению процессапучения и разработки мер и способов борьбыс ним посвящены работы таких ученых как:К.А. Ардашев, В.И. Барановский,Ю.И. Бурчаков, М.И. Весков, В.М. Городничев,А.В. Гурдус, Ю.В. Заславский, С.М. Липкович,В.А. Лыткин, А.П. Максимов, Е.А. Мельников,В.Н. Рева, В.И. Сивохин, И.Л. Черняк идр.

Их анализ позволяетвыделить два основных типа пучения породпри прохождении горных выработок:

1) пучение глинистыхпород вследствие их набухания, связанногосо специфическими особенностямиминералогического и коллоидно-химическогосостава глинистых грунтов;

2) пучение глинистыхпород как проявление горного давления всвязи с проведением горныхвыработок.

В пластовыхподготовительных выработках при залеганиив почве угольных пластов слоистых аргиллитов иалевролитов процесс разрушения породпочвы и пучения включает стадии:

–расслоения по поверхности напластованиябез разлома расслоившихся пород;

– разломарасслоившихся пород под выработкой наблоки в форме многошарнирных арок;

–разрушения пород почвы под бокамивыработки с выдавливанием ихв выработку.

Разлом расслоившихсяпород почвы под выработкой происходитпод совместным воздействием сжимающихнапряжений бокового распорапород в массиве и напряжений, возникающихпри изгибе слоев при расслоении, т.е. приусловии:

, (1)

где – коэффициентбокового распора пород; – объемный вес пород,кг/м3; Е – модуль деформациипород, МПа; h– толщинаслоев пород в почве, м; Rc – прочность пород насжатие, МПа; k0 – коэффициент влиянияопорного давления; Uрассл. – смещения врезультате расслоения, м.

Из приведенного условияследует, что, например, при среднейпрочности пород Rс=30 МПа и толщине слоевh = 0,5 м их разломна блоки под выработкой прирасположении выработки вне зоны опорногодавления (ko = 1)начинается на глубинах Н> 400450 м и развивается на максимальнуюглубину hразл.max=0,50,6 В, где В – ширина выработки,при Н > 600650 м. В зоне опорного давления пород (ko =22,5) глубина, при которойначинаетсяразлом слоев в почве, уменьшается до 200250 м, а развитиеразлома до hразл.maxпроисходит приН > 350400м.

Разлом слоев почвы подвыработкой в результате разрыхления породпри разрушении приводит к увеличению ихсмешений, которые составляют

Uразл.=(kр – 1)hразл. (2)

При коэффициентеразрыхления пород kр = 1,101,12 получаем, что дажепри разломе пород почвы под выработкой наhразл.max ее смещение в выработку составляетUразл.max 300350 мм.Следовательно, в этих условиях, какправило, не требуется применение способовборьбы с пучением почвы.

Пучение почвы ввыработке интенсивно возрастает приразрушении пород под боками выработки,которое происходит при условии

2koH > Rc + Ro tg2(45+/2), (3)

где Rо = (0,10 –0,15) Rc –остаточная прочность разрушенных породпод выработкой; –угол внутреннего трения пород.

Разрушение пород почвыпод боками выработки при ее расположениивне опорного давления начинается наглубинах Н >750800 м иразвивается на глубину hразл.max иширину lвыд= 1,0 - 1,2 hразл.max при Н > 850900 м. В зоне опорногодавления перед сопряжением с лавой такоеразрушение пород почвы происходит наглубинах, примерно в 2 раза меньших.Величина пучения почвы в выработке в этомслучае составляет

Uвыд=(kр – 1) hразл (1 +). (4)

Из расчетов следует,что в условиях разрушения пород почвы подбоками в результате их разрыхления и выдавливания при расположениивыработки вне опорногодавления на глубинах Н > 850900 м и прирасположении выработки в зоне опорного давления наглубинах Н >450500 мвеличина пучения почвы в выработкеувеличивается до 10001200 мм.Таким образом, в этих условиях необходимоприменение способов борьбы с пучениемпочвы.

Из изложенного следует,что для уменьшения пучения почвы до300350 мм ввыработках, расположенных в массиве иохраняемых целиками, необходимо создатьусловия, при которых не происходитразрушение и выдавливание пород почвы вбоках выработки. Это можно осуществитьпутем образования в боках выработки зон пониженных напряжений шириной1,01,2 hразр.max.При образовании таких зон в бокахвыработки, породы почвы в зонах пониженныхнапряжений за счет сил сцепления и трения междупластья инижележащими породами будут препятствовать разрушению и выдавливаниюпород под воздействием 2koH, а,следовательно, существенно увеличатглубину, на которой происходит интенсивноепучение почвы.

Зоны пониженныхнапряжений в боках выработки могут бытьобразованы путем изменения структурыпород кровли путем ее анкерованиясталеполимерной анкерной крепьюповышенной несущей способности. При этомувеличивается площадь опоры на бокавыработок, т.е. уменьшается удельноедавление, при этом зона максимума опорногодавления отодвигается от краевой частимассива (целика) вглубь, величина этогоперемещения зависит от длины анкеров, углаих наклона, плотности установки.

При применении этогоспособа интенсивное пучение за счетвыдавливания пород почвы в выработку будетпроисходить при условии

2koH > [Rc+ Ro tg2 (45+/2)] +2[Cнlвыд+ Рf·tg2 (45+/2)]. (5)

Из (5) следует, что приминимальных значениях: сцепления пород понапластованию Сн = 0,1 Rпл, гдеRпл – прочность пласта насжатие; давления на почву в зоне пониженныхнапряжений Р = 0,5Rпл; коэффициента трения между слоямиf = 0,5; разрушениепород в почве и их выдавливание в выработкубудет происходить вне зоны опорногодавления на глубинах Н >13001500 м, а взонах опорного давления при Н > 700800 м.

Для обоснованиявозможности образования разгруженных зонв боках выработки путем крепления кровлисталеполимерными анкерами высокой несущейспособности необходимо знаниенапряженно-деформированного состоянияпород в почве под краевой частьюразрабатываемого пласта, включающегоопределение размеров образующихся зонопорного давления, L0 и разгрузки, LР.

Полученные с помощьюметода конечных элементов результатырасчетов по вертикальным напряжениям,представлены на рис. 1. Аналогичные данныеполучены по перемещениям пород почвы наразличных расстояниях от пласта.

 Рис. 1. Графикиизменения вертикальныхнапряжений в почве на глубине Н-3

Рис. 1. Графикиизменения вертикальныхнапряжений в почве на глубине Н =500 м

на расстояниях отпласта:

1 – 5 м; 2 – 10 м; 3 – 15 м; 4 – 20 м; 5 –30м; 6– 40 м

Рассматриваяустановленные зависимости изменениявертикальных игоризонтальных напряжений с позицииопределения наиболее вероятных участков разрушенияпород почвы по условию сдвига можносделать вывод, что к ним относится участокнепосредственной почвы в зоне опорногодавления под границей пласта, где выполняетсяусловие

, (6)

и участокнепосредственной почвы в зоне разгрузки уграницы пласта, где

(7)

Расчеты показывают, чтопри залегании в почве пласта даже слабыхаргиллитов разрушение почвы от сдвигадолжно происходить на втором участке наглубинах свыше 1200 - 1500 м. На первом участке ипри более прочных породах такое разрушениевообще исключается.



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.