Введение к работе
з
Актуальность работы. Существующие нормы потерь на угледобывающих предприятиях возросли настолько, что коэффициент извлечения запасов месторождения снизился в отдельных бассейнах до 0,7-0,6, а с переходом на более глубокие горизонты ожидается рост потерь до 50 %. К одной из главных причин необходимо отнести влияние очистной выемки на капитальные и подготовительные выработки, что приводит к росту размеров предохранительных целиков.
В общей структуре проектных потерь максимальные объемы приходятся на потери в околоствольных целиках, размеры которых находятся в зависимости от глубины заложения ствола, параметров деформирования и разрушения пород в пределах мульды сдвижения. Так, например, только на шахтах Российского Донбасса в околоствольных целиках сконцентрировано около 60 млн. т угля, что более чем в 4 раза превышает общую добычу, которая в 1997 году составила всего 13,3 млн. т. При этом данные запасы являются практически подготовленными к выемке.
Потери в околоствольных целиках в пределах границ шахтного поля существенно зависят и от систем вскрытия и подготовки, на основании которых принимаются схема расположения стволов и их количество, а границы целиков для вертикальных шахтных стволов определяются от границ охраняемой площади, включающей копры, надшахтные здания, здания подъемных машин и берму. Анализ существующих нормативных документов по определению контуров предохранительных целиков показал, что при разработке наклонных пластов на глубине около 1000 м потери угля только по площади могут достигать 820-1100 тыс. м2.
Неполная выемка запасов ведет к значительному прямому экономическому ущербу, заключающемуся в увеличении затрат на 1 т извлекаемых запа-
сов за счет роста непроизводительных затрат на геолого-Ьадведвднвіе) раб<Иы\*
' ЬИБЛИОТСКА
С. Петербург 2((0 tjP К
4 проектирование и строительство шахты, проведение и поддержание горных выработок и др. Отсюда вопросы отработки околоствольных целиков при безаварийной эксплуатации стволов являются весьма актуальными. При этом была выявлена целесообразность применения короткозабойных технологий, отличающихся оперативной адаптацией к конкретным геотехнологическим условиям.
Особую важность здесь приобретают вопросы геомеханической оценки влияния отработки целиков на состояние крепи и армировки шахтных стволов. Существующие методы исследований проявлений горного давления вокруг очистных выработок и практически полное отсутствие опыта отработки околоствольных целиков короткими очистными забоями не позволяют дать полноценную характеристику фактического напряженно-деформированного состояния вмещающих пород, а также надежности и ресурса эксплуатации крепи и армировки ствола. В связи с этим актуальность работы усугубляется необходимостью проведения комплексных теоретических исследований, направленных на изучение закономерностей влияния очистной выемки на состояние околоствольных массивов и формирование нагрузок на крепь вертикальных шахтных стволов, одной из важнейших составляющей которых является система мониторинга за напряженно-деформированным состоянием крепи и армировки стволов
Диссертационная работа подготовлена на основе обобщения результатов исследований, выполненных при поддержке ФЦП «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы» (Государственный контракт № Б0118/663), в рамках Программы Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по экологии и рациональному природопользованию» и госбюджетной темы Шахтинского института (филиала) ЮРГТУ (НПИ) П-53-801 «Разработка средств и способов крепления и охраны горных выработок и обеспечения безопасности труда на горных и строящихся предприятиях».
Целью работы является геомеханическое и геотехнологическое обосно-
5 вание комплекса технико-технологических решений по отработке околоствольных целиков короткими очистными забоями, а также по сохранению эксплуатационной надежности и ресурса крепи и армировки шахтных стволов, обеспечивающих снижение материальных затрат на периоде строительства горного предприятия по подземной добыче полезных ископаемых.
Основная идея работы заключается в применении короткозабойных технологий для отработки околоствольных целиков на периоде строительства шахты. При этом для обоснования эффективных технико-технологических решений по отработке околоствольных целиков и безопасной эксплуатации шахтных стволов используются:
численное моделирование напряженно-деформированного состояния геомеханических систем при ведении очистной выемки короткими забоями;
методы теории информации и надежности при оперативном мониторинге состояния крепи и армировки шахтных стволов;
идея применения пространственных конструкций с разрывом связей в системе «крепь-армировка» на участках с деформирующейся крепью.
Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе используется комплекс методов: анализ существующих способов отработки околоствольных целиков; обобщение методов исследования характера влияния отработки на состояние крепи и армировки шахтных стволов; имитационное моделирование геомеханических процессов вокруг очистных выработок; методы математической теории упругости; теории информации; методы математической статистики и программирования.
Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:
установлено, что применение традиционных технологий для отработки околостьольных целиков в целях снижения непроизводительных затрат на периоде строительства горного предприятия не представляется возможным; из анализа опыта отработки охранных целиков, сопоставления организации и ме-
6 ханизации работ по добыче и подготовке выемочных участков, сравнения технико-экономических показателей работы очистных забоев и оценки пространственно-планировочных решений выявлена целесообразность применения ко-роткозабойных технологий, отличающихся однотипностью и маневренностью оборудования как для подготовительных, так и для очистных забоев, высокой степенью адаптации к изменяющимся горно-геологическим условиям и низкими эксплуатационными затратами;
на базе камерных, камерно-столбовых систем и систем короткими столбами разработаны принципиальные технологические схемы ведения очистных работ с закладкой выработанных пространств, адаптированные к комплексу околоствольных выработок и выработок главных направлений и их функциональному назначению и позволяющие производить эффективную и безопасную отработку околоствольных целиков в различных горно-геологических условиях при обеспечении безаварийной эксплуатации шахтных стволов;
на основе численного моделирования напряженно-деформированного состояния вмещающих пород выявлены закономерности развития геомеханических процессов в околоствольных массивах, позволяющие осуществлять количественную оценку изменения параметров опорного давления и его влияния на состояние шахтных стволов в зависимости от глубины разработки, деформационных свойств и мощности пород основной и непосредственной кровли, характеристик угольного пласта и закладочных материалов, обеспечивая обоснованный выбор параметров систем разработки короткими очистными забоями;
разработан экспериментально-аналитический метод диагностики напряженно-деформированного состояния крепи вертикальных шахтных стволов и вмещающего массива пород и оценки фактической несущей способности крепи при отработке околоствольных предохранительных целиков, позволяющий обоснованно применять конструктивные и технологические решения по креплению и армированию вертикальных шахтных стволов;
разработаны методические основы проектирования пространственных
7 конструкций армировки и технологии армирования стволов на участках деформирующегося породного массива, обеспечивающие безремонтную эксплуатацию армировки вертикальных стволов с учетом динамических нагрузок от действия подъемных сосудов.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: корректностью постановки задач и формирования расчетных схем; представительным объемом данных, полученных в результате имитационного моделирования на ЭВМ, и удовлетворением граничных условий; применением строгих аналитических методов, имеющих контроль качества решений; практически полным совпадением результатов при решении частных контрольных задач (расхождение не превышает 10 %).
Научное значение работы заключается:
в геомеханической оценке состояния массивов вокруг шахтных стволов при отработке околоствольных целиков короткими очистными забоями в зависимости от широкого диапазона горно-геологических и горнотехнических факторов;
в разработке метода обработки результатов натурных измерений напряжений в крепи вертикальных шахтных стволов, подверженных влиянию отработки околоствольных предохранительных целиков, позволяющего оценить фактическое напряженно-деформированное состояние крепи и вмещающего массива пород;
в выявлении закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния крепи и пространственных конструкций армировки шахтных стволов при их подработке с учетом схемы армировки и динамики влияния подъемных сосудов.
Практическое значение работы состоит:
в разработке технологических схем ведения очистных работ на базе камерных, камерно-столбовых систем и систем короткими столбами с закладкой
выработанных пространств с учетом адаптации их к комплексу околоствольных выработок;
в разработке метода обоснования параметров подготовки выемочных участков в пределах околоствольных целиков;
в разработке алгоритма и программы обработки результатов натурных измерений нормальных радиальных и тангенциальных напряжений или деформаций, выполненных в произвольных точках многослойной крепи вертикальных шахтных стволов, подверженных влиянию отработки предохранительных околоствольных целиков;
в создании методических основ проектирования пространственных конструкций армировки и технологии армирования стволов на участках деформирующего породного массива, обеспечивающих безремонтную эксплуатацию шахтных стволов.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Промышленная проверка технологии армирования вертикальных стволов на участках деформирующегося породного массива была осуществлена в марте 1997 г. на шахте им. Стаханова ГХК "Селидовуголь".
Апробация работы. Содержание и отдельные положения диссертации обсуждены и одобрены на XLV-LI научных конференциях Южно-Российского государственного технического университета (г. Шахты, 1996-2003 гг.), Всероссийской научно-практической конференции компании "Росуголь" "Пути повышения эффективности технологии строительства вертикальных стволов" (г. Шахты, 1996 г.), Международной научно-практической конференции Ростовского государственного строительного университета (г. Ростов-на-Дону, 1997 г.), заседаниях технических советов АО "Ростовшахтострой" (г. Шахты, 1997 г.) и института "Ростовгипрошахт" (г. Ростов-на-Дону, 1997 г.), научно-производственной конференции компании "Росуголь" и АО "Ростовшахтострой" "Прохождение вертикальных стволов, околоствольных дворов, горизонтальных и наклонных выработок при строительстве новых шахт" (г. Шахты,
9 1997 г., г. Новочеркасск, 1998 г.), научных семинарах кафедры строительства подземных сооружений и шахт и кафедры сопротивления материалов, строительной и прикладной механики Новочеркасского государственного технического университета (г. Новочеркасск, 1997 г.), конференции «Экология, безопасность и эффективность производства» (г. Ростов-на-Дону, 1998 г.), конференции «Научно-технические проблемы разработки твердых полезных ископаемых юга России» (г. Шахты, 1998 г.), Международной конференции «Перспективы развития горных технологий в начале третьего тысячелетия» (г. Ал-чевск, 1999 г.), Международных симпозиумах «Неделя горняка» (г. Москва, 2000-2002 гг.), 1-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2003 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 22 работы.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и трех приложений, содержит 56 рисунков, 21 таблицу, список использованной литературы из 120 наименований.
