Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса задачи исследований 10
1.1. Сущность комбинированного способа отработки угольных пластов 10
1.2. Системы разработки ограниченных запасов 13
1.3. Камерно-столбовые системы разработки 25
1.4. Анкерное крепление очистных забоев 29
1.5. Конструкции анкерной крепи 36
1.6. Методы расчета анкерной крепи 41
1.7. Рассчет несущей способности анкера 49
1.8. Расчет параметров анкерной крепи 50
Выводы по главе 1 66
2. Разработка технологических схем ведения очистных работ короткими забоями на ограниченных участках 67
2.1. Анализ систем разработки ограниченных запасов 67
2.2. Системы разработки на основе коротких лав и анкерного крепления выработанных пространств 73
2.3. Системы разработки камерами с расширением при анкерном креплении кровли 79
2.4. Технологическая схема с закладкой выработанного пространства 84
2.5. Определение максимальных размеров блоков (коротких лав) 88
Выводы по главе 2 93
3. Расчетная модель геомеханической системы «слоистый породный массив -комбинированная крепь» 94
3.1. Формирование обобщенной расчетной схемы 94
3.2. Статико-кинематическая модель типового элемента расчетной схемы...97
3.3. Матричная реализация статико-кинематической модели типового элемента расчетной схемы 101
3.4. Разработка обобщенной расчетной модели геомеханической системы «слоистый породный массив - комбинированная крепь» в матричной реализации математической модели 105
3.5. Учет граничных условий 108
3.6. Определение напряженно-деформированного состояния элементов геомеханической системы «слоистый массив пород - комбинированная крепь» 114
Выводы по главе 3 115
4. Методическое обеспечение моделирования геомеханических процессов в системе анкерная крепь массив породы 116
4.1. Основные положения и алгоритм расчета напряженно деформированного состояния элементов геомеханической модели 116
4.2 Программа исследования статико-кинематических состояний и предельных нагрузок в комбинированной крепи 121
4.3 Подготовка исходных данных 123
4.4.Ввод исходных данных 125
4.5 Методические положения обоснования параметров анкерного и комбинированного крепления очистных забоев 129
Выводы по главе 4 133
5. Иследования напряженно-деформированного состояния геотехнологических систем 134
5.1. Геотехнологические ситуации 134
5.2. Подготовка данных для проведения численных экспериментов 136
5.3. Моделирование напряженно деформированного состояния геомеханических систем 137
5.4. Зависимости напряженно деформированного состояния системы «анкерная крепь - вмещающий массив» 149
5.5. Графический метод обоснования параметров анкерного крепления 169
Выводы по главе 5 173
Заключение 174
Список используемой литературы 176
- Системы разработки на основе коротких лав и анкерного крепления выработанных пространств
- Матричная реализация статико-кинематической модели типового элемента расчетной схемы
- Основные положения и алгоритм расчета напряженно деформированного состояния элементов геомеханической модели
- Зависимости напряженно деформированного состояния системы «анкерная крепь - вмещающий массив»
Введение к работе
Актуальность работы. Одной из главных задач угледобывающей отрасли на современном этапе хозяйствования остается проблема повышения полноты извлечения запасов подготовленных шахтных полей.
Особую важность при этом приобретает решение вопросов, связанных с созданием технологий, обеспечивающих экономически целесообразную отработку участков с ограниченными запасами угля, которые формируются при отработке угольных пластов по схеме «шахта – лава». По результатам оценки запасов на 47 шахтах России, проведенной Подмосковным НИУИ и ННЦ ГП ИГД им. А.А. Скочинского, к настоящему времени на ограниченных участках, отработка которых длинными комплексно-механизированными забоями затруднена или невозможна, сосредоточено около 369 млн. т высококачественного угля. Наиболее значительны данные запасы в Кузнецком и Печерском бассейнах - 253 и 89 млн. т.
В таких условиях возникает необходимость перехода на нетрадиционные системы разработки, отличающиеся меньшими размерами выработанных пространств и использованием мобильного недорогостоящего оборудования. В частности, вариантом такого оборудования может быть сочетание комбайнов избирательного действия с самоходными вагонами. При этом в качестве основного вида крепления предполагается использование анкерной крепи.
В общем комплексе стоящих при этом задач вопросы количественной оценки закономерностей развития геомеханических процессов в массивах пород вокруг очистных выработок нуждаются в дальнейшей проработке. В сложившейся ныне ситуации, когда проведение лабораторных и шахтных экспериментов затруднено, на первое место выступают исследования, базирующиеся на применении универсальных расчетных моделей массива пород, численных методов и многовариантного моделирования на ЭВМ. Основная трудность при этом заключается в корректной постановке задачи, полноценном учете исходной информации и выборе расчетной схемы, достаточно идеализированной для получения эффективного решения и одновременно сохраняющей реальные особенности, чтобы это решение имело практическую ценность.
Поэтому проведение комплексных исследований, направленных на изучение закономерностей проявлений горного давления в массивах пород вокруг очистных выработок и позволяющих на этой основе выбирать рациональные параметры анкерного крепления очистных забоев при отработке ограниченных запасов, является актуальной задачей.
Диссертационная работа выполнялась в рамках направлений исследований Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов ТулГУ, а также при поддержке аналитической ведомственной программой «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» (Задание № 2.2.1.1/3942) и федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (ГК № 02.740.11.0319).
Целью работы является установление новых и уточнение существующих закономерностей геомеханических процессов в системе «анкерная крепь – вмещающий массив» для обоснования параметров анкерного крепления очистных забоев, обеспечивающих эффективную и безопасную отработку ограниченных запасов пологих угольных пластов.
Идея работы заключается в использовании для обоснования параметров анкерного крепления очистных забоев концепции стержневой аппроксимации массива и крепи, позволяющей моделировать напряженно-деформированное состояние геомеханической системы «анкерная крепь – вмещающий массив» в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
оценку напряженного состояния анкерной крепи необходимо производить на основе режима взаимовлияющих деформаций, учитывающего совместное взаимодействие пород непосредственной кровли, анкеров и стоечной крепи;
реактивные усилия в анкерах зависят от мощности несущего слоя непосредственной кровли, длины очистного забоя, шага установки анкеров и реакций стоечной крепи;
наличие двухрядной стоечной крепи, устанавливаемой перпендикулярно линии очистного забоя, позволяет в 1,5-2,0 раза снизить напряженное состояние непосредственной кровли и увеличить шаг установки анкерной крепи.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработаны технологические схемы отработки ограниченных запасов короткими лавами и камерами с расширением, основанные на анкерном креплении очистных забоев, а так же на анкерном креплении в комбинации со стоечной крепью;
усовершенствована расчетная модель геомеханической системы «анкерная крепь – вмещающий массив», основанная на режиме взаимовлияющей деформации и позволяющая производить оценку напряженно-деформированного состояния пород непосредственной кровли, реактивных усилий в анкерной и стоечной крепи в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий;
установлены закономерности изменения изгибающих моментов, напряжений и перемещений в несущем слое непосредственной кровли, а также усилий в анкерной крепи, учитывающие размеры выработанных пространств, шаг установки анкеров, мощность кровли, реакции стоечной крепи;
получены зависимости максимальных реактивных усилий в анкерах и максимальных горизонтальных напряжений в породах непосредственной кровли от мощности несущего слоя непосредственной кровли, размеров выработанного пространства, шага установки анкеров, позволяющие обосновывать параметры анкерного крепления очистных забоев;
Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе используется комплекс методов: анализ существующих систем разработки и технологических схем ведения очистных работ при отработке ограниченных запасов; анализ методов расчета параметров анкерного крепления; имитационное моделирование геомеханических процессов в массивах горных пород вокруг очистных выработок; обработка результатов моделирования.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректностью постановки задач и формирования расчетных схем; представительным объемом данных, полученных в результате имитационного моделирования (проведено более 300 вычислительных экспериментов); удовлетворительным совпадением результатов при решении контрольных задач численным моделированием и методами строительной механики.
Научное значение работы заключается в разработке расчетной модели оценки напряженно-деформированного состояния геомеханических систем, включающих массив горных пород и анкера, и установлении на этой основе закономерностей изменения напряженного и деформированного состояния пород кровли и анкеров в зависимости от широкого диапазона горно-геологических и горнотехнических факторов при отработке ограниченных запасов.
Практическое значение работы состоит: в создании методического обеспечения многовариантного моделирования геомеханических процессов в системах «анкерная крепь - вмещающий массив»; в разработке технологических схем ведения очистных работ короткими лавами и камерами с расширением при использовании анкерной крепи; в создании графического метода обоснования рациональных параметров анкерного крепления очистных забоев при отработке ограниченных запасов.
Реализация работы. Основные результаты исследований были использованы в Тульском государственном университете при выполнении НИР по федеральной и ведомственной целевой программе, а также включены в методическое обеспечение комплекса учебных дисциплин по направлению «Горное дело» кафедры «Геотехнологии и строительство подземных сооружений».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 7-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2011 г.), на Всероссийской конференции «Проблемы геологии, планетологии, геоэкологии и рационального природопользования» (г. Новочеркасск, 2011 г.), на магистерских научно-технических конференциях ТулГУ (г. Тула, 2008-2009 гг.), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 2010-2012 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, включая 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложена на 190 страницах машинописного текста, содержит 79 рисунков, 4 таблицы, приложение и список использованной литературы из 148 наименований.
Системы разработки на основе коротких лав и анкерного крепления выработанных пространств
Одной из главных задач угледобывающей отрасли на современном этапе хозяйствования остается проблема повышения эффективности добычи полезных ископаемых за счет создания новых или совершенствования уже известных технологий разработки месторождений. При этом такие технологии должны обеспечивать в большинстве случаев совместное выполнение следующих требований: высокие технико-экономические показатели; минимальные нарушения целостности подрабатываемых слоистых массивов и земной поверхности; отработка участков шахтных полей с ограниченными запасами угля.
Необходимо отметить, что по результатам оценки запасов на 47 шахтах России, проведенной Подмосковным НИУИ и ННЦ ГП ИГД им. А.А. Скочинского [5], к настоящему времени на ограниченных участках, отработка которых длинными комплексно-механизированными забоями затруднена или невозможна, сосредоточено около 369 млн. т высококачественного угля. Наиболее значительны данные запасы в Кузнецком и Печерском бассейнах - 253 и 89 млн. т.
Особого внимания заслуживает и возможность отработки предохранительных целиков, причем не только в период погашения шахт, но и в процессе ее эксплуатации, когда в отработку могут быть вовлечены запасы под охраняемыми природными, гражданскими и промышленными объектами. Конечно, их отработка регламентируется жесткими требованиями по сохранению естественного природного ландшафта и, как правило, невозможна при использовании систем разработки длинными столбами, вызывающих значительные нарушения целостности подрабатываемых массивов и земной поверхности.
В связи с этим, как для доработки ограниченных участков, так и для вовлечения в отработку предохранительных целиков, возникает необходимость в нетрадиционных, более гибких, технологиях, которые в комбинации с обычными технологиями могут обеспечить максимальную полноту извлечения полезного ископаемого.
Кроме того, данные технологии должны реализовывать и возможность селективной разработки месторождений, когда для отработки отдельных участков, делящих шахтное поле в зависимости, например, от кондиционных характеристик угля, от мощности или гипсометрии пласта, от глубины или строения и свойств вмещающих пород, требуется применение принципиально отличающихся систем разработки или технологических схем ведения очистных работ.
Среди существующих технологий таким требованиям в полной мере отвечают только короткозабойные технологии. При этом важнейшим условием эффективного их использования является применение современных комплексов мобильного оборудования. К группам систем разработки короткими забоями относятся системы, длина очистных забоев которых не превышает, как правило, 25-35 м. В настоящее время известно четыре основных варианта выемки, отличающиеся между собой видом очистного забоя, который характеризуется как камера, заходка, комбинированный забой (камера и заходка) и короткая лава. Первые три вида очистного забоя в той или иной степени являются элементами таких широко известных систем разработки, как камерная, камерно-столбовая и короткими столбами. Короткой лавой называется очистная выработка, защищаемая от выемочного пространства специальной стоечной или механизированной крепью, имеющая 2 выхода и проветриваемая за счет общешахтной депрессии. Подготовка лав, как правило, ведется двумя выемочными штреками, по своей сути повторяя столбовые или сплошные системы разработки. Выемка полезного ископаемого осуществляется открытыми заходками при использовании проходческих или некоторых видов добычных комбайнов с погрузкой угля на скребковый конвейер. К коротким лавам можно также отнести и системы разработки полосами по восстанию и падению в пределах подготовленных длинных выемочных столбов, применявшиеся в 30-50-х годах прошлого столетия [1]. Наибольшее распространение короткие лавы получили при отработке предохранительных целиков под наземными объектами в комбинации с длинными забоями, известными как система разработки парными штреками [1,3]. В настоящее время применение систем разработки на основе коротких лав носит лишь экспериментальный характер [5]. Невозможность широкого применения данных систем разработки связана с отсутствием высокомобильного оборудования: использование укороченных механизированных комплексов и подготовка очистного фронта в совокупности предопределяют высокие эксплуатационные расходы. Наблюдения за эксплуатацией экспериментальных короткозабойных технологий на шахте им. В.И. Ленина показали, что одними из основных факторов, определяющих эффективность работы выемочных участков, являются способы и средства крепления кровли камер и заходок. Разработка участка камерами с расширением при общей ширине выработанного пространства около 10 м и креплением стоечной деревянной крепью требует значительных затрат лесоматериалов [4]. При относительно низкой стоимости, возможности изготовления непосредственно в забое и легкости возведения деревянная крепь в качестве основного средства поддержания кровли выработок имеет целый ряд существенных недостатков, основными из которых являются следующие: - невысокая несущая способность и малая податливость; - возможность возгорания; - значительные материальные и временные затраты по доставке леса к месту возведения крепи; - использование ручного труда при установке крепи; - опасность проводимых работ по креплению кровли, в частности при установке стоек в непосредственной близости от линии обрушения; - сдерживание работы выемочного комбайна из-за значительных затрат времени на крепление кровли; - трудность и опасность извлечения стоек; - ограниченность горной выработки по высоте.
Матричная реализация статико-кинематической модели типового элемента расчетной схемы
При переходе от обобщающих формул к формированию уравнений для конкретного участка необходимо строго следовать законам алгебры матриц. В системе (3.19) индексы р и j - являются промежуточными (математическими) при формировании системы уравнений. Характеризуя систему (3.19), отметим: ввиду некоммутативности перемножения матриц запись их произведения, стоящего под знаком П, осуществляется строго последовательно при возрастании индексау справа налево; произведение матриц [Ft] И [FJ] С общим индексом (i = p или i = j) равно единичной матрице, умножение на которую не ведет к изменению результата, что позволяет исключить обе матрицы из уравнения при его последовательном раскрытии; если число участков равно 1 (і = 1), то из второго и третьего уравнения необходимо исключить слагаемые, идентифицированные знаком Е, так как индекс над ним будет равен 0.
Полученная система уравнений является основой математической модели расчета «слоистый массив пород - комбинированная крепь». Первое матричное уравнение синтезирует группу линейных уравнений силовых и кинематических факторов, которые характеризуют условия равновесия и перемещения стержня, имитирующего породный слой; второе и третье -отражают физическую суть задачи, формируя в конечном итоге уравнения совместности перемещений всех элементов дискретизируемой области посредством учета деформаций анкерной и стоечной крепи.
Совокупность решаемых на основе численного моделирования задач горной геомеханики требует учета в математических моделях широкого спектра формируемых на границах расчетной схемы условий, реально отражающих характер взаимодействия непосредственной кровли с горнотехническими объектами разработки в системе «слоистый породный массив - комбинированная крепь». С одной стороны, такой подход реализуется через выбор системы задания нагрузок, имитирующей силовое взаимодействие элементов данной системы, а с другой, через задаваемые характеристики перемещений и внутренних силовых факторов на границах, реально отражающие состояние несущих слоев непосредственной кровли и крепи в процессе исследования. Если выбор системы задания внешних нагрузок не вносит изменений в общую структуру математической модели, а влияет лишь на итоговые результаты расчета, то формирование граничных условий на основе силовых и кинематических факторов не только корректно трактует расчетную схему, но и адаптирует математическую модель, позволяя получить определенную систему линейных уравнений. При этом важным, с точки зрения универсализации модели, является учет в ней как можно больших комбинаций граничных условий.
Применение для моделирования стержневой аппроксимации несущего слоя непосредственной кровли и комбинированной крепи предполагает необходимость реализации граничных условий через систему условий закрепления "на опорах" левых и правых концов стержня, имитирующего непосредственную кровлю, т. е. в начальном и конечном сечениях общей расчетной схемы, что и должно быть отражено характеристиками компонентов векторов i?0} и {Вп} в системе матричных уравнений (3.19).
Из положений строительной механики известно [59,88,143], что всякое закрепление стержня "на опоре" определяется (для данной задачи, ограниченной продольными силами и продольными перемещениями) двумя параметрами из четверки силовых и кинематических факторов, причем эти два параметра должны быть либо равны 0, либо являться значимыми. Например, при абсолютно жестком защемлении стержня в заделке угол поворота и вертикальное перемещение равны нулю; два же силовых фактора (поперечная сила и изгибающий момент) при приложении к стержню какой-либо нагрузки имеют конкретные значения. В данной математической модели принято восемь типов возможных узлов закрепления стержней "на опорах" со строгим равенством нулю двух из четырех параметров (не учтены возможные перемещения или повороты с различным характером сопротивления). Каждое из условий характеризуется математическим соотношением:
Перед формированием общей системы уравнений напряженно-деформированного состояния пород несущего слоя непосредственной кровли и крепи необходимо отметить, что предлагаемый метод реализации граничных условий дает возможность сокращения количества линейных уравнений, являющуюся весьма актуальной при использовании численных моделей расчета. Так, в ранее разработанных моделях [14,16,40,65,132] необходимо было для стержней сначала полностью сформировать статико-кинематические уравнения (число неизвестных силовых и кинематических факторов на границах области при этом равнялось двукратному количеству уравнений), а затем ввести в общую систему дополнительные элементарные уравнения, характеризующие условия закрепления "на опорах". Предлагаемый подход позволяет сократить такую группу уравнений в 4 раза и упростить сам метод расчета.
При переходе ко всей моделируемой области соотношения, характеризующие граничные условия, преобразуются в систему:
Основные положения и алгоритм расчета напряженно деформированного состояния элементов геомеханической модели
Формирование расчетной схемы, включающее ввод и преобразование исходных данных, характеризующих геометрические, деформационные и силовые параметры всех элементов, а также граничные условия.
Формирование общей системы уравнений расчетной схемы напряженно-деформированного состояния всей моделируемой области, представленных матрицей коэффициентов при неизвестных начальных параметрах и реакциях вертикальных связей и вектором свободных членов, вычисленных по заданным внешним силовым факторам.
Расчет неизвестных начальных параметров и реакций связей - решение системы, основанное на методе исключения неизвестных - метод Гаусса. Расчет напряженно-деформированного состояния подрабатываемого массива, которыми моделируемая область была разбита на участки, и включающий определение поперечных сил, изгибающих моментов, углов поворотов сечений, вертикального перемещений, а также вертикальных напряжений. Порядок выполнения процедур моделирования по главной структурной линии алгоритма заканчивается выводом результатов, которые в зависимости от типа и задачи исследования являются либо результатами промежуточных расчетов - итераций, либо конечными результатами моделирования. В любом случае представление их аналогично. Далее происходит расчет координат точек для графического отображения результатов расчета. Также вывод результатов расчета в графическом виде для удобства анализа полученный данных. Если при анализе результатов возникает необходимость изменения вводимых данных происходит переход к блоку «формирования БД условий». Заключительным этапом каждой итерации расчета является проведение сравнительного анализа напряженного состояния элементов крепи с их прочностными характеристиками, по результатам которого определяется надежность выбранного варианта крепления. После этого по мере необходимости меняются геометрические параметры расчетной схемы и (или) параметры комбинированного крепления. Для определения количества анкеров устанавливаемых в ряду при консольном защемлении кровли необходимо выполнить следующую часть расчета, в которой происходит изменение расчетной схемы и начальный параметров. В остальном алгоритм расчета схож с предыдущим расчетом. Для решения поставленных задач на базе математической модели разработана программа расчета параметров системы «комбинированная крепь - кровля», ориентированная на ПЭВМ. Программа имеет несколько версий, может быть запушена на разных устройствах. Написана на языках программирования PHP, Delphi. Также программа реализована на базе пакета прикладных программ «Scilab» предоставляющий мощное открытое окружение для инженерных (технических) и научных расчётов. Что позволило повысить точность расчетов и выводить результаты расчетов в удобном графическом виде. Программа может быть использована как в оконном режиме так и в текстовом режиме работы. Оконный режим позволяет не вникать в тонкости программы, что упрощает ввод данных и получать результат вычислений, но офаничивает гибкость вычислений, не позволяя контролировать вычисления на любом этапе численного эксперимента. Текстовый режим позволяет полностью контролировать процесс вычисления, получать промежуточные результаты на любом этапе вычислений. Программное обеспечение построено по модульному принципу, что облегчает ее совершенствование и добавление новых функций. В состав программного обеспечения входят следующие модули: 1. Модуль формирования системы уравнений - в данном модуле происходит ввод данных и формирование системы уравнений для дальнейшего проведения расчетов; 2. Модуль решения системы уравнений - происходит решение сформированной системы уравнений в автоматическом режиме; 3. Модуль преобразования полученных данных для отображения в графическом виде - производится расчет дополнительных параметров, вычисление координат точек, подготовка данных для графического отображения; 4. Модуль отображения результатов в графическом виде -производится посторенние графиков и эпюр; 5. Модуль выгрузки результатов в csv файл. Подготовка исходной информации является предварительным и наиболее ответственным этапом при имитационном моделировании, от полноценности и корректности которого зависит достоверность конечных результатов. Главными критериями для определения достаточного объема исходных данных является четкое представление об основных направлениях исследований конкретной ситуации и тщательная предварительная оценка геометрических и физических параметров элементов крепи, а также горногеологических условий. Подготовка и анализ подобной базовой информации предопределяет возможность разработки конкретной расчетной схемы исследуемого объекта, которая в каждом случае отличается от общей, своими геометрическими характеристиками и граничными условиями. Для формирования параметров моделируемой области по длине в методике разработан единый подход задания исходной информации. Подготовка данных осуществляется для всего участка выработки начиная от 0. Процесс разработки расчетной схемы предполагает определение и подготовку следующих параметров: технические параметры выбранной анкерной и стоечной крепи; число каждого типа элементов комбинированной крепи; общее число участков разбиения объекта по его длине; длины участков разбиения; общее колличество точек в которорых необходимо рассчитать напряжения в кровле; граничные условия.
Для формирования параметров моделируемой области в методике разработан единый подход задания исходной информации.
Следует отметить, что реалезованна возможность расчета при установке крепи на не равных между собой расстояних, происходит последовательное разделение всей длины моделируемого объекта на участки.
Вся подготавливаемая на данном этапе исходная информация, включающая геометрические характеристики и граничные условия, не только однозначно определяет структуру расчетной схемы, но и служит основой для организации общей системы линейных уравнений напряженно-деформированного состояния моделируемой системы «комбинированная крепь - кровля», так как в конечном итоге формирует комплекс неизвестных начальных параметров и реакций связей между элементами системы. Особенности конкретной расчетной схемы характеризуются правильно выбранными граничными условиями.
Зависимости напряженно деформированного состояния системы «анкерная крепь - вмещающий массив»
Проведено более 300 вычислительных экспериментов для различных схем и вариантов крепления выработанных пространств. Установлены закономерности изменения изгибающих моментов, напряжений и перемещений в несущем слое непосредственной кровли, а также усилий в анкерной крепи, учитывающие размеры выработанных пространств, шаг установки анкеров, мощность кровли, реакции стоечной крепи.
Полученные закономерности стали основой для получения зависимостей изменения максимальных напряжений и усилий в анкерной и стоечной крепи от мощности несущего слоя непосредственной кровли ее пролета и шага установки анкеров. В частности можно отметить 1,5-2 х кратное уменьшение напряжений в кровле и усилий в анкерах при установке стоечной крепи.
Проведенные численные исследования, позволили сформировать номограммы и разработать графический метод обоснования параметров анкерного крепления призабойного пространства при отработке ограниченных запасов.
Предложен графический способ определения параметров анкерного крепления очистных забоев, основанный на максимальной несущей способности непосредственной кровли и анкерной крепи.
В результате проведенных экспериментальных и аналитических исследований были установлены новые и уточнены существующие закономерности геомеханических процессов в системах «анкерная крепь -вмещающий массив», а также дано обоснование параметров анкерного крепления очистных забоев, обеспечивающее эффективную и безопасную отработку ограниченных запасов на угольных месторождениях с пологим залеганием пластов, что имеет важное значение для горнодобывающей промышленности России.
Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем. Разработаны принципиальные технологические схемы отработки ограниченных запасов короткими лавами при креплении очистных забоев анкерной крепью, а также анкерной крепью в комбинации со стоечной крепью или органными рядами из двухстоечной крепи и пакетированной закладки. Усовершенствована расчетная модель геомеханической системы «анкерная крепь - вмещающий массив», основанная на режиме взаимовлияющей деформации и позволяющая производить оценку напряженно-деформированного состояния пород непосредственной кровли, реактивных усилий в анкерной и стоечной крепи в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий. Разработано методическое обеспечение, включающее алгоритм расчета, программное обеспечение, инструкции по подготовке и вводу исходных данных, позволяющее производить многовариантные исследования напряженно-деформированного состояния геомеханических систем «анкерная крепь - вмещающий массив». Установлены закономерности изменения изгибающих моментов, напряжений и перемещений в несущем слое непосредственной кровли, а также усилий в анкерной крепи, учитывающие размеры выработанных пространств, шаг установки анкеров, мощность кровли, реакции стоечной крепи. Получены зависимости максимальных реактивных усилий в анкерах и максимальных горизонтальных напряжений в породах непосредственной кровли от мощности несущего слоя непосредственной кровли, размеров выработанного пространства, шага установки анкеров, позволяющие обосновывать параметры анкерного крепления очистных забоев. Установлено, наличие двухрядной стоечной крепи, устанавливаемой перпендикулярно линии очистного забоя, позволяет в 1,5-2,0 раза снизить напряженное состояние непосредственной кровли и увеличить шаг установки анкерной крепи. Предложен графический способ определения параметров анкерного крепления очистных забоев, основанный на максимальной несущей способности непосредственной кровли и анкерной крепи.
