Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель, задачи и методы исследований 8
1.1. Анализ тенденций развития технологий крепления горных выработок и повышения их эксплуатационной надежности 8
1.2. Оценка степени изученности специфики совершенствования технологий крепления горных выработок и повышения эксплуатационной надежности их в условиях интенсивной отработки запасов шахтных полей 25
1.3. Цель, задачи и методы исследований 41
Выводы 44
2. Обоснование направлений повышения технологичности крепления горных выработок при интенсивной подготовке и отработке запасов шахтных полей 47
2.1. Формирование рациональной структуры технологии крепления подготовительных выработок при интенсивном их проведении 47
2.2. Разработка технологических требований к конструкции крепи подготовительных выработок и способам ее возведения в условиях интенсификации горных работ 61
2.3. Общие положения аналитического обоснования возможности реализации интенсивной технологии анкерного крепления подготовительных выработок 66
Выводы 81
3. Разработка и реализация методики моделирования прогрессивных технологических схем проведения подготовительных выработок при безбуровом ударном анкеровании приконтурного массива 83
3.1. Технологическое моделирование процессов интенсивного проведения подготовительных выработок 83
3.2. Моделирование процесса безбурового анкерования вмещающих пород 93
3.3. Анализ результатов численного моделирования параметров процесса безбурового анкерования вмещающих горную выработку пород 103
4. Исследование эксплуатационной надежности подготовительных выработок при интенсивной отработке запасов шахтных полей 110
4.1. Обоснование критериальной базы оценки эксплуатационной надежности горных выработок 110
4.2. Формирование методики оценки эксплуатационной надежности горных выработок 122
4.3. Рекомендации по повышению эксплуатационной надежности подготовительных выработок при интенсивной отработке запасов шахтных полей 133
Выводы 148
Заключение 149
Литература 151
- Оценка степени изученности специфики совершенствования технологий крепления горных выработок и повышения эксплуатационной надежности их в условиях интенсивной отработки запасов шахтных полей
- Разработка технологических требований к конструкции крепи подготовительных выработок и способам ее возведения в условиях интенсификации горных работ
- Моделирование процесса безбурового анкерования вмещающих пород
- Формирование методики оценки эксплуатационной надежности горных выработок
Введение к работе
Актуальность работы. Проблема своевременной подготовки очистного фронта постоянно существовала на большинстве угледобывающих предприятий России. Наиболее остро обозначилась необходимость ее решения в последнее десятилетие в связи с реструктуризацией шахтного фонда отрасли и ориентацией его на малозабойные технологические схемы в вариантах «шахта-лава», «шахта-пласт» с нагрузкой на очистной забой порядка 8-12 тыс. т в сутки. Так, в последние годы в Кузбассе резко возросла концентрация горного производства за счет роста нагрузки на очистной забой и снижения количества находящихся в эксплуатации очистных забоев. В настоящее время ряд шахт бассейна работает по схеме «шахта-лава» с использованием высокопроизводительных комплексов очистного оборудования.
При резком росте производительности комплексно-механизированных очистных забоев решение вопроса своевременной подготовки очистного фронта только за счет увеличения запасов угля в выемочных участках не снижает его остроты. Существующие темпы подготовки запасов выемочных столбов не удовлетворяют темпам подвигания забоев высокопроизводительных лав. С ростом нагрузки на очистные забои пропорционально увеличивается и скорость их подвигания, которая при средней длине очистного забоя 200-250 м в ряде случаев превышает среднемесячные темпы проведения выработок и достигает 500-600 м/мес.
Производственный комплекс по проведению подготовительных выработок при интенсификации добычи угля является определяющим в обеспечении шахты вскрытыми, подготовленными и готовыми к выемке запасами угля. В рыночных условиях необходимо предусматривать своевременную подготовку запасов выемочных столбов с оптимальным динамическим резервом времени взамен отрабатываемых.
Выход на необходимые темпы воспроизводства очистного фронта возможен лишь при рациональном сочетании потенциала проходческих комбайнов
современного технического уровня и высокой технологичности анкерного крепления подготовительных выработок, обеспечивающих надежную и безопасную эксплуатацию последних в условиях интенсивной отработки запасов угля. В то же время реальная практика ведения горных работ на отечественных и зарубежных шахтах свидетельствует о необходимости поиска нетрадиционных технико-технологических решений по резкому снижению времяемкости анкерного крепления подготовительных выработок и значительному расширению области эффективного его применения.
Таким образом, исследования, направленные на разработку эффективных решений по повышению технологичности крепления и эксплуатационной надежности подготовительных выработок при интенсивной отработке запасов угля, отличаются значительной актуальностью.
Целью диссертации является установление влияния комплекса факторов на интенсивность проведения подготовительных выработок и их функциональное состояние для обоснования прогрессивных решений по повышению технологичности крепления и эксплуатационной надежности выработок, обеспечивающих своевременное воспроизводство очистного фронта и устойчивое функционирование угольных шахт.
Основная идея работы заключается в системном подходе к поиску адресно-ориентированных решений по рационализации технологии крепления подготовительных выработок и обеспечению высокой эксплуатационной надежности их с учетом специфики свойств природной среды и интенсивности отработки запасов выемочных участков.
Основные научные положения, разработанные лично соискателем:
- объективная оценка технологичности крепления подготовительных
выработок в условиях интенсивной подготовки и отработки запасов выемочных
участков реализуется в контексте с оценкой эксплуатационной надежности
выработок;
- повышение технологичности крепления выработок, подготавливающих
запасы выемочных участков к интенсивной отработке, может быть обеспечено за
счет высокоскоростного ударного анкерования приконтурных участков горного массива на глубину порядка 2-4 м;
технология высокоскоростного ударного анкерования пород обладает свойствами надежного интегрирования в прогрессивные технологические системы интенсивного проведения подготовительных выработок;
уровень эксплуатационной надежности подготовительных выработок является интегральной характеристикой их функционального состояния, аэродинамического старения, безотказности в эксплуатации и эффективности инновационной деятельности угледобывающих предприятий.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- осуществлена систематизация показателей оценки технологичности
крепления подготовительных выработок в условиях интенсивной подготовки и
отработки запасов шахтных полей;
научно обоснована возможность логической реализации высокоскоростного ударного анкерования приконтурных массивов вокруг подготовительных выработок;
предложена методика интегральной оценки эксплуатационной надежности подготовительных выработок.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
анализом производственного опыта подготовки очистного фронта при интенсивной отработке запасов выемочных участков и результатов исследований по повышению технологичности крепления и эксплуатационной надежности подготовительных выработок;
корректным использованием работоспособных методов статистического анализа, технологического моделирования, теории надежности, геомеханического обоснования и численного моделирования технологических решений;
непротиворечивостью реальной практике анкерного крепления подготовительных выработок результатов численного моделирования процесса безбурового ударного создания в породном массиве шпуровой полости.
Научное значение работы состоит в установлении влияния комплекса факторов на интенсивность проведения подготовительных выработок и их функциональное состояние в условиях высокопроизводительной отработки запасов выемочных участков для обоснования прогрессивных направлений повышения технологичности крепления и эксплуатационной надежности выработок.
Практическое значение диссертации заключается в разработке технологических рекомендаций по повышению темпов проведения подготовительных выработок и их эксплуатационной надежности при высокопроизводительной отработке запасов выемочных участков.
Реализация работы. Разработанные по результатам исследований автора рекомендации по повышению технологичности крепления и эксплуатационной надежности подготовительных выработок рекомендованы к использованию при организации мониторинга состояния выработок и проектировании паспортов выемочных участков шахт ЗАО «Распадская угольная компания».
Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований докладывались на Седьмой международной экологической конференции студентов и молодых ученых (Москва, 2003), научном симпозиуме в рамках «Недели горняка» Московского государственного горного университета (Москва, 2005), научных семинарах кафедры «Подземная разработка пластовых месторождений» Московского государственного горного университета (Москва, 2003-2005).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 5 научных работ.
\
Оценка степени изученности специфики совершенствования технологий крепления горных выработок и повышения эксплуатационной надежности их в условиях интенсивной отработки запасов шахтных полей
Процессы реструктуризации угольной промышленности при ограниченных инвестициях стимулируют горнодобывающие предприятия на поиск резервов производства, повышающих уровень рентабельности шахт. С этой целью необходимо резко увеличить нагрузку на выемочные участки шахт, по меньшей мере, до 5-8 тыс. т/сут. Суточное подвигание очистного забоя на пластах средней мощности должно составлять более 25 м. Существующие технологические схемы проведения горных выработок, оконтуривющих выемочный участок, не обеспечивают такие темпы подвигания, что приводит к разрыву очистного фронта, снижению эффективности использования оборудования и трудовых ресурсов. Одним из резервов является замена дорогостоящей рамной крепи на анкерную. Применение этого прогрессивного вида крепи позволяет не только снизить затраты на крепление, но и значительно увеличить темпы проведения горных выработок.
Динамика основных горнотехнических параметров шахт Кузбасса представлена на рис. 1.2. Опыт работы угольных шахт США, Англии, Австралии, Германии также показывает, что для повышения эффективности и безопасности угледобычи необходим переход от крепления горных выработок рамными крепями на анкерную крепь. Это позволит уменьшить расход металла в 5-6 раз и затраты на крепление в 1,5-2,0 раза, обеспечит увеличение скорости комбайновой проходки подготовительных выработок до 20-25 м/сут, безремонтное рабочее состояние их, безопасность работ на сопряжении с лавой, создаст условия для повышения добычи угля очистными механизированными комплексами до 8-10 тыс. т/сут [68].
В последние годы наметилась тенденция по некоторому снижению объемов анкерного крепления выработок. Для Кузнецкого бассейна основными причинами этого является следующее: усложнение горно-геологических и горнотехнических условий с переходом на глубины разработки более 350-400 м. Здесь существенно увеличились размеры зон опорного давления в окрестности очистных выработок и возросла интенсивность проявлений горного давления в выработках выемочных полей. Возросли на 35-40 % площадь поперечного сечения выработок, прежде всего выемочных штреков, и объемы работ по бесцеликовой охране выработок на границе с выработанным пространством, то есть в зоне сдвижения и обрушения пород соседних отработанных лав; - недостаточная изученность геомеханических процессов в породах вокруг горных выработок на нижних горизонтах и работоспособности анкерной крепи в этих условиях. В наибольшей мере это относится к определению размеров зон опасных деформаций (смешений, расслоений и разрушений) пород кровли и боков выработок, охраняемых целиками угля и бесцеликовыми способами; - отсутствие эффективных средств бурения шпуров под анкеры и механизации возведения анкерной крепи. В первую очередь это относится к выработкам высотой 2,0 м и более.
Необходимо отметить, что с рядом трудностей столкнулись не только в России. Так, на шахтах Германии пластовые выработки проходят на все большей глубине и по возможности без дополнительных работ по ремонту должны допускать их повторное использование при очистных работах. Следовательно, возрастают требования к устойчивости штреков, проводимых при ведении очистных работ в смежных выемочных столбах. Возрастают и расходы на штрековую крепь.
С увеличением длины лав возникает потребность в приводах забойных конвейеров более высокой мощности, а также в свободном пространстве штрека для размещения таких приводов.
Это привело к тому, что достигнутые за последние годы повышение производительности труда при проведении подготовительных выработок утрачивало свою значимость из-за повышения затрат на повышение качества крепления, а повышение скорости проведения не обеспечивалось. Наряду с повышением удельных затрат на сооружение выработки наблюдается снижение уровня динамического резерва подготовительных работ ввиду постоянного повышения интенсивности очистных работ. Технологические схемы проведения выработок комбайновым способом обеспечивают возможность повышения скорости проведения и противодействия наметившимся негативным тенденциям в воспроизводстве очистного фронта [34, 51].
Широкое применение штреков прямоугольной формы поперечного сечения с использованием анкерной крепи в Великобритании обусловило создание нового поколения проходческих машин соединяющих в себе потенциал проходческих комбайнов с устройствами для установки анкеров, что позволило значительно повысить скорость проведения выработок по сравнению с традиционными машинами и ручными приспособлениями для установки анкеров. Самой высокопроизводительной в Великобритании является машина «Джой 12ВМ18». Она исполнена в виде проходческого комбайна шириной 4,6 м (или 4,8 м) и обеспечивает анкерование как кровли, так и боков выработки. Стрела режущих органов с внутренними двигателями и корпус редуктора спроектированы таким образом, чтобы буровые установки можно было разместить ближе к забою выработки и «покрывать» центр штрека. Предусмотрены два устройства установки анкеров на направляющих с реализацией возможности наклона и два устройства установки анкеров в боках выработки. Скорость проведения выработок составляет в среднем 150 м в неделю (при максимальной 180 м).
Применение анкерного крепления в сочетании с технологией скоростного проведения выработок с использованием проходческих комбайнов оказало значительное воздействие на рост производительности и безопасности труда и способствовало успешной рационализации технологических схем глубоких шахт Великобритании.
На зарубежных шахтах осуществлен переход на анкерную крепь благодаря разработке новых конструкций анкеров из металлических и стекло пластиковых стержней или металлических тросов диаметром 20-24 мм, устанавливаемых в скважинах диаметром 26-30 мм и закрепляемых в них по всей длине или на протяжении 0,9-1,0 м быстротвердеющими смолами со временем твердения от 15-20 до 50-60 с. Разрыв оболочки ампул и перемешивание их состава осуществляется вращением стержней анкеров буровым станком при установке.
Разработка технологических требований к конструкции крепи подготовительных выработок и способам ее возведения в условиях интенсификации горных работ
Разнородность осуществляемых в шахте производственных комплексов и вместе с тем их органическая взаимосвязь делают сложным само понятие эффективности технологической системы. Технологическая система шахты, а также отдельные функциональные элементы ее должны удовлетворять целому комплексу общих и частных требований. Так, подсистема проведения подготовительных выработок непосредственно влияет на ход ведения очистных работ, зачастую ограничивая интенсивность выемки угля, изменяя транспортную систему выемочного участка, допуская или отвергая прогрессивный вариант технологической схемы угледобычи. Во многом это определяется конструктивными особенностями крепи и уровнем ее эксплуатационной надежности. В этой связи уже на стадии проектирования технологии проведения выработок выемочных участков необходимо четко определить комплекс требований к креплению их.
Наиболее общими требованиями, предъявляемыми к технологии крепления подготовительных выработок при интенсивном их проведении, являются следующие: 1. Достаточная продуктивность технологии. Это требование предполагает интенсификацию элементов технологической схемы качественного крепления. 2. Безопасность технологии. Ведение горных работ сопряжено с опасными проявлениями горного давления, разрушительными последствиями возможных взрывов метана и пыли, а также негативными проявлениями газодинамических процессов. Частота реализации этих проявлений, степень тяжести последствий их в определенной мере обусловливает разработку безопасной технологии анкерного крепления подготовительных выработок. 3. Поточность технологии, что определяется способностью ее обеспечить непрерывное выполнение рабочих операций по креплению подготовительных выработок. 4. Надежность технологии. При проектировании технологической схемы крепления в этой связи необходимо ориентироваться на применение таких элементов крепления, при которых возможность наступления аварийных ситуаций становится маловероятной. 5. Невысокая трудоемкость реализации технологии крепления, обеспечивается прогрессивностью проектных решений, по критерию максимума уровня механизации рабочих операций. 6. Экономичность технологической схемы. Наряду с трудоемкостью крепления, в значительной мере определяющей эксплуатационные затраты на проведение выработок, требование экономичности предполагает снижение материальных затрат на машины и механизмы, энергию и т.д.
Ученые и специалисты-горняки уже многие годы работают над созданием универсальной анкерной крепи, соответствующей большинству горногеологических условий применения (от совершенно неустойчивых до весьма крепких пород). Многие из них склонны считать, что решение этой важной научно-технической задачи следует связывать с расширением области эффективного применения анкерной крепи с химическим закреплением стержневых элементов.
Анкерная крепь в свою очередь должна удовлетворять комплексу требований функционального, технического и экономического характера. В частности, крепь должна обеспечивать рабочее состояние выработок (сохранение формы и размеров поперечного сечения в пределах, необходимых для нормальных условий эксплуатации в соответствии с правилами безопасности) и безопасные условия выполнения работ в них в течение всего срока их службы. Крепь не должна мешать выполнению рабочих процессов, не вызывать технологических осложнений при проведении и эксплуатации выработок (не иметь сложную конфигурацию периметра выработки, не загромождать ее рабочее пространство).
Сумма первоначальных затрат (трудовых и материальных) на изготовление и установку крепи в выработке, затрат на эксплуатацию и поддержание (ремонт) крепи в течение срока службы выработки должна быть минимальной. К тому же крепь должна быть несложной и нетрудоемкой в изготовлении (технологичной), транспортабельной, доступной (ремонтопригодной) для обслуживания в период эксплуатации, надежной в работе.
Важными требованиями, предъявляемыми к анкерной крепи, являются: обеспечение минимума трудоемкости возведения крепи в выработке, простота конструкции, наличие легко собираемых узлов и минимум числа собираемых в выработке конструктивных элементов и узлов. При этом расход крепежных материалов на единицу несущей способности крепи должен быть минимальным.
Крепь должна иметь высокую несущую способность (определяемую величиной разрывного усилия стержня), а также высокую механическую прочность смолы на сжатие (80 Н/мм2), сдвиг (3,6-4,2 Н/мм2) и изгиб (15 Н/мм2). Наличие высокой адгезионной прочности смолы с породами и металлом, обеспечивающей даже в слабых (неустойчивых) породах формирование вокруг анкера «конуса сжатия», является одним из условий расширения области применения анкерной крепи. Крепь должна обеспечивать предварительное натяжение анкера (до 20-30 кН) после установки без ожидания времени отверждения закрепляющего материала, а также незамедлительный набор прочности закрепления до уровня равнопрочности со стержнем анкера после его установки.
При анкеровании должно производится заполнение всего кольцевого зазора между анкером и стенками шпура для обеспечения герметизации и предотвращения выветривания, коррозии металла, снижения нагрузки на опорные элементы и предотвращения сдвиговых деформаций пород. Закрепляющий материал должен быть устойчив к тепловому воздействию и сохранять механические свойства в течение всего срока службы выработок, не быть токсичным и вреден для обслуживающего персонала.
Моделирование процесса безбурового анкерования вмещающих пород
Моделирование геометрических параметров разрушающей головки-проникателя направлено на обоснование формы передовой части. В настоящее время последние чаще всего проектируют в виде тел вращения конической или оживальной формы, на которую иногда наваривают лепестки ребер-ножей.
Задача моделирования рациональной формы головки-проникателя заключается в выборе такой геометрии, при которой получается тело минимального сопротивления при движении анкерной головки-проникателя в породном массиве.
Процесс внедрения можно укрупненно разложить на стадию смятия материала в окрестности головки-проникателя, стадию локального дробления и последующего развития макроразрушения, ведущего к образованию осколков породы [66, 80]. При внедрении на всех перечисленных стадиях формируется сила сопротивления со стороны породного массива, действующая на головку-проникатель, причем для преодоления силы сопротивления требуется энергия, затрачиваемая на разрушение и удаление единицы материала. Область разрушения породы в окрестности анкерной головки-проникателя зависит от многих факторов, в том числе и от ее геометрии, следовательно, чем ближе геометрия головки-проникателя к рациональной, тем ближе к оптимуму объем разрушаемой породы и тем меньше энергии требуется на продвижение инструмента в массив.
Чтобы оценить рациональные формы головки-проникателя требуется осуществить анализ зависимости силы сопротивления при проникании головки в породу от формы законцовки головки-проникателя при прочих равных условиях.
Эта задача оказывается проще, чем задача оценки механизма разрушения породы перед головной частью, так как не требует знания конкретных критериев разрушения и свойств среды, а решается по формуле сравнения «лучше — хуже» для заданных граничных условий в зоне контакта головки-проникателя и породного массива с использованием простейшей допустимой модели среды проникания. Так как в соответствии с гипотезой «плоских сечений» функционал силы сопротивления включает силу нормального давления породы на головку-проникатель в зависимости от геометрии передовой части, то выбор рациональных вариантов их форм целесообразно проводить, анализируя характер и уровень изменения нормального давления на гиперповерхность заданной геометрии при заданном конечном перемещении инструмента в среде.
Чтобы определить неизвестную силу нормального давления на поверхности головки-проникателя при ее перемещении в среде, наиболее удобным оказывается расчет поля напряжений в зоне контакта поверхности головки-проникателя с породным массивом методом граничных интегральных уравнений.
Существует несколько возможных подходов, позволяющих получить интегральные уравнения задачи [30, 48]. Автором рассматривается вариант прямого метода граничных интегральных уравнений, разработанный для решения плоских и осе симметричных задач теории упругости со смешанными граничными условиями [48].
В этом случае соотношение между компонентами вектора напряжений /,- на границе и перемещениями U{ для осесимметричных тел вращения и осесимметричной нагрузки на тело имеют вид: Тензоры Tij и Utj (функции Грина) представляют j - компоненты вектора напряжений и перемещений в точке Q в результате действия в точке Р двух сил, направленных вдоль каждой из осей. Фундаментальные решения для Ту и Щ приведены в [30, 48].
Для решения задачи деформирования уравнение (3.1) требуется преобразовать к системе алгебраических уравнений для последующего численного решения. Для замены граничных интегральных уравнений (ГИУ) системой линейных алгебраических уравнений (ЛАУ) применим метод Крылова-Боголюбова [48]. Суть сведения ГИУ к системе ЛАУ заключается в аппроксимации граничной поверхности совокупностью граничных элементов параметрических поверхностей. Элемент (рис. 3.4) включает совокупность узловых точек. Для решения осесимметричных задач теории упругости используются квадратичные и линейные элементы, аппроксимирующие криволинейную границу расчетной схемы. Квадратичный элемент имеет три узловые точки, линейный - две. Для обеспечения непрерывности для t берем интерполирующие функций на единицу меньшего порядка (линейные элементы), чем для U (квадратичные) элементы. Таким образом, если число квадратичных элементов равно N, то число линейных, для той же дискретизации, равно 2N. В соответствии с этим функции формы для перемещений имеют вид:
Представление расчетной схемы в виде подобластей приводит к дискретизации интегральных уравнений для каждой из подобластей, в результате чего формируется система алгебраических уравнений блочно-ленточного типа. Поблочное решение системы уравнений позволяет рассматривать большое число граничных элементов без потери точности решения задачи.
Если на границе подобласти располагаются М граничных элементов, то уравнение (3.1) преобразуется в систему 2М линейных алгебраических уравнений: где [С] - матрица порядка 4Мх4М; {х} —вектор неизвестных порядка 1x4м; {D} - вектор порядка 1x4м. Решение уравнения (3.5) позволяет получить поверхностные силы и перемещения в каждом из узлов на границе расчетной схемы, чего достаточно для расчета нормального контактного давления на поверхности головки-проникателя. Рассмотрим вопрос оптимизации формы головки-проникателя. В этом случае определяющими параметрами по оптимизации являются угол конусности, форма образующей проникающего тела и обобщенные параметры среды, в которую
Формирование методики оценки эксплуатационной надежности горных выработок
При исследовании надежности технологических систем угольных шахт большую роль играют методы прогнозирования в силу того, что отказы в работе отдельных подсистем происходят случайно. В этой связи основными методами прогнозирования являются методы теории вероятностей, массового обслуживания и статистического моделирования. Реализация этих методов позволяет получать прогнозную оценку эксплуатационной надежности горных выработок с учетом динамики структуры и параметров системы.
Процедура формирования совокупности оцениваемых показателей эксплуатационной надежности горных выработок, должна основываться на принципе комплексности оценки результатов прогнозирования. Поскольку цель такой оценки заключается в прогнозировании, как надежности, так и эффективности эксплуатации выработок, то формируемая методическая база прогнозирования должна предусматривать использование обоих этих показателей.
При прогнозировании процесса функционирования выработок целесообразно использовать принцип пошаговой оценки показателей, учитывающий иерархическую структуру системы. Это объясняется тем, что влияние отказов при эксплуатации горных выработок на производственную деятельность шахты может быть в количественном отношении существенно различным.
Методика оценки эксплуатационной надежности выработок представляет собой систему, состоящую из ряда математических моделей и ограничений по вероятностным характеристикам функционирования ее элементов, в которой оценка надежности технологических звеньев проводится с определением оптимального объема запасов для конкретных процессов.
Существует два класса методов моделирования надежности и эффективности функционирования технологических систем: аналитические (логико-вероятностные) и численные (имитационные) методы.
В логико-вероятностных методах показатель надежности целостного объекта выражается некоторой формулой, в которую входят показатели надежности отдельных его элементов. Вид формулы определяется путем анализа структуры системы методами математической логики. Достоинства логико-вероятностных методов являются наглядность результата и простота расчетов, а недостатком - невысокая степень адекватности используемой модели реальной системе и далеко неполный анализ поведения системы.
Имитационные методы предполагают компьютерную реализацию. Они основаны на имитации отказов системы и получении статистических оценок показателей надежности и эффективности ее функционирования с помощью соотношений вида (4.2)-(4.7). Достоинствами имитационных методов является достаточно высокая степень адекватности модели и масштабный анализ поведения системы, а недостатками - сложность вычислительного процесса. Следовательно, применение логико-вероятностных методов целесообразно лишь для первоначального приближенного экспресс-анализа системы, а дальнейшее детальное ее исследование следует осуществлять имитационными методами.
Надежность механической работы крепи подготовительных выработок зависит от соответствия ее рабочей характеристики горно-геологическим условиям их эксплуатации. Существующие методы расчета параметров крепи и рекомендации по выбору их конструкций не всегда оказываются достаточно надежными в связи с большим разбросом прочностных характеристик породного массива и материала крепи, с идеализацией расчетных схем при оценке напряженно-деформированного состояния пород, вмещающих выработку, с неопределенностью в задании нагрузок. Поэтому в практике проектирования, строительства и эксплуатации выработок всегда имеет место одновременно избыточная и недостаточная их надежность. В первом случае это приводит к перерасходу материальных затрат, поскольку более надежная крепь стоит дороже; во втором - к убыткам в результате выхода из эксплуатации участков выработки.
Чтобы создать или выбрать работоспособную крепь для конкретно проектируемой выработки, необходимо знать величину допустимой надежности ее работы, и надежности приемлемых к установке в этих условиях крепей.
Надежность крепи формируется в процессе проектирования горной выработки и реализуется при изготовлении и установке крепи. Процесс проектирования крепи с заданным уровнем надежности является наиболее сложным и определяющим этапом ее создания.
Структурная схема формирования эксплуатационной надежности подготовительных горных выработок представлена на рис. 4.2. На надежность функционирования крепи влияют природные и технологические факторы.
К числу основных природных факторов, изменение которых приводит к изменению эксплуатационной надежности подготовительных выработок, относятся следующие характеристики горно-геологических условий: глубина ведения горных работ, угол падения пласта, свойства вмещающих пород, наличие систем трещиноватости пород.
Угол падения пласта полезного ископаемого влияет на расположение его в сечении выемочного штрека. С увеличением угля падения увеличивается объем подрывки вмещающих пород. Увеличение прочности вмещающих пород положительно сказывается на состоянии подготовительных выработок за счет снижения смещений ее породного контура. С увеличением глубины разработки ухудшается состояние выработок за счет общего ухудшения горно-геологических условий и интенсификации смещений их породного контура, при активизации геомеханических процессов в функции глубины.
Для снижения смещений породного массива необходимо объективизировать выбор рациональной схемы расположения выработок и способов их охраны. К технологическим факторам, влияющим на эксплуатационную надежность, относятся: схемы подготовки и отработки запасов шахтных полей, технологические схемы проведения и охраны горных выработок, площадь сечения выработки, плотность установки крепи и ее конструктивные особенности, геометрические параметры выемочных участков, оптимальная скорость подвигания очистного забоя, способ охраны выработки в зонах опорного давления. Указанные факторы во многом определяют технологичность крепления подготовительных выработок, что усиливает объективность утверждения о необходимости оценки надежности эксплуатационных подготовительных выработок в контексте с оценкой технологичности ее крепления.
