Содержание к диссертации
Введение
2. Современное, состояние; и основные задачи по созданию технологии-, средств выемки, крепления и управлениягорным, давлением 16
2.1. Соатояние работ' по созданию технологии,, средств выемки и управления горным давлением, 16
2.2. Влияниа горно-геологических условий на технологию выемки, крепления и управления ,горным; давлением 24
2.3. Влияние технологии управления горным давлением, на работу комплексно-механизированных очистных забоев крутых пластов Донбасса* 29
2.4. Задачи и общая методика, исследований 39
3. Физико-технические основы технология управления гор ным давлением в комплексно-механизированных очист ных забоях, движущихся по простирании 49.
3.1. Еостановка задачи и разработка методических основ аналитических исследований 49
3.2. Результаты аналитических исследований по определению влияния параметров технологии, на напряженно-дефорирован-ное состояние, пород кровли при подвиганий; очистного забоя по простиранию 65
3.3. Результаты шахтных исследований и разработка, технологии и средств управления горным давлением в. очистных забоях, оборудованных механизированными крепями 93
4. Физико-технические основы технологии управления горный давлением; в комплексно-механизированных очистных забоях, движущихся по падению 134
4.1. Результаты аналитических исаледований по определению влияния параметров технологии на напряженно-деформированное; состояние пород кровли: при; подвиганий очистного забоя по падению 134
4.2. Определение влияния угла падения пласта на напряженно-деформированное состояние пород кровли 138
4.3. Результаты шахтных исследований и разработка технологии и средств управления горным; давлением, в очистных забоях, оборудованных щитовыми агрегатами 149
5. Определение основных парамет.роЕ механизированных крепей и установление конструктивных особенностей их основных компановочных узлов
5.1. Выбор основных направлений исследований
5.2. Результаты аналитических исследований по определению влияния величины сопротивления и схемы передвижения крепи на напряженно-деформированное состояние пород кровли
5.3. Разработка методических основ расчета, параметров взаимодействия смежных породных слоев кровли друг с другом и а механизированной крепью 194
5.4. Результаты исаледований взаимодействия крепи с расслоившейся кровлей 203
5.5. Результаты шахтных исследований по определению силовых параметров механизированных крепей 206
5.6. Результаты шахтных исследований по выбору технологической схемы передвижения механизированной крепи 235
5.7. Исследования и разработка гидравлической стойки механизированной крепи 260
5.8. Исследования и разработка верхнего перекрытия и основания секции механизированной крепи 273
6. Результаты исследований структурных и кинематичес ких свойств систем передвижения механизированных крепей 312
6.1. Разработка, основ, структурного анализа систем передвижения механизированных крепей 312
6.2. Результаты исследований кинематических свойств систем, передвижения механизированных крепей 318
6.3. Результаты шахтных исследований систем передвижения механизированных крепей 323
6.4. Результаты исследований устойчивости комбайна в в плоскости пласта при отсутствии кинематической связи, его с, крешью 342
7. Анализ и синтез структурных, кинематических и дина мических свойств систем передвижения механизирован ных крепей 347
7.1. Основы структурного анализа систем передвижения механизированных креп-ей с учетом их динамических свойств 347
7.2. Результаты исследований структурных, кинематических и динамических свойств, механизма передвижения крепи 351
Стр. 7.3. Результаты исследований структурных, кинематических и динамических свойатв механизма передвижения крепи КГУ 359
7Л. Результаты исследования структурных, кинематических и динамических свойств механизма передвижения крепи КГУ с диагональным, расположением, забоя 370
7.5. Результаты исследований структурных, кинематических и динамических свойств механизма передвижения крепи "Украина" 378
7.6. Результаты исследований структурных, кинематических и динамических свойств механизма передвижения крепи КГУ-Д 388
7.7. Результаты экспериментальных исследований механизма передвижения механизированной крепи КГУ-Д 400
8. Область применения и перспективы создания средств; комплексной механизации очистных работ- на крутых пластах 418
8.1. Исследования и разработка типоразмерного ряда механизированных комплексов 418
8.2. Определение экономически целесообразной длины выемочного участкш при использовании механизированной крепи и щитового агрегата 429
8.3. Область применения, эффективность использования и перспективы по созданию средствкомплексной механизации
- Влияниа горно-геологических условий на технологию выемки, крепления и управления ,горным; давлением
- Результаты аналитических исследований по определению влияния параметров технологии, на напряженно-дефорирован-ное состояние, пород кровли при подвиганий; очистного забоя по простиранию
- Определение влияния угла падения пласта на напряженно-деформированное состояние пород кровли
- Результаты аналитических исследований по определению влияния величины сопротивления и схемы передвижения крепи на напряженно-деформированное состояние пород кровли
Введение к работе
Актуальность проблемы. В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на І98І-І985 годы и на период до 1990 года" поставлена задача увеличения добычи угля в одиннадцатой пятилетке до 770-800 млн.т, при этом, указывается на острую необходимость "осуществлять, дальнейшее развитие подземной добычи угля» особенно для коксования".
Основными поставщиками наиболее ценных коксующихся углей для металлургической промышленности страны являются шахты, разрабатывающие, тонкие крутые пласты. Горные работы на этих шахтах ведутся на глубине 700-1000 м. Высокая метанообильностъ и выбро-соопасность» большая нарушенностъ месторождений, наличие слабых боковых пород требуют- изыскание новой и совершенствование существующей технологии на базе комплексной механизации очистных работ.
По уровню комплексно-механизированной добычи шахты с крутым залеганием тонких угольных пластов значительно отстают от шахту разрабатывающих пологие пласты. Такое положение объясняется не только сложностью горно-геологических условий, но и трудностями, связанными с созданием технологии и средств комплексной механизации для обработки крутых угольных пластов.
Проблему создания техники и технологии для комплексной механизации очистных работ. Коммунистическая Партия и Советское правительство считают, важной народнохозяйственной задачей. Решению этой проблемы посвящена данная диссертационная работа.
Научно-исследовательские работы по разработке технологии, средств выемки, крепления и управления горным давлением, выполненные в данной диссертации, были включены в отраслевые пятилетние планы научно-исследовательских работ, на 1971-75 гг. и 1976-80 гг. в соответствии со следующими постановлениями Партии и Правительства, министерств и ведомств:
Постановление. ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 29.06.71 г. $ 473; Постановление Госкомитета Совета Министров СССР по науке и технике от 18.09.69 г. J§ 416; Постановления Совета Министров УССР от 30.09.70 г. 526, от II.II.69 г. 660, от 28.10.80 г. І 580; приказы Минуглепрома СССР от 6.02.70 г. 60/9, от 4.07.73 г. & 254, от 24.11.75 г. & 490, от 19.03.80 г. & 153, от 13.10.81 г. 455, приказы Минуглепрома УССР от. 16.08.73 г. 160, от 6.07.79 г. .1 135; письма Минуглепрома СССР от 19.09.69 г. Д-92, от- 28.10.71 г. Je 22-2-3/ПЗЗ, от 13.02.80 г. І4-2-3/Г79; решение бюро научно-технического совета Госгортехнадзора СССР от 22.04.77 г.; республиканская программа "Энергокомплекс."; проблема П2206І0 "Разработать и внедрить технологию, средства комплексной механизации и автоматизации очистных работ: на крутых пластах (35-90°) мощностью 0,55-1,20 м, обеспечивающих увеличение нагрузки на забой и повышение производительности труда рабочего в 2 раза до сравнению с уровнем 1980 г., достигнутых в аналогичных условиях" и программа РН.Ц.ООІ "Совершенствование техничес-кой базы топливно-энергетического комплекса и повышение эффективности использования энергоресурсов". Подпрограмма РН.05.02.Ц.
При выполнении соответствующих позиций отраслевых пятилетних планов, важнейших научно-исследовательских работ, каряд-заказов и целевых комплексных программ на IX, X и XI пятилетки автор данной диссертации являлся научным руководителем, и исполнителем работ.
Цель работы - установить физические зависимости и закономерности, с помощью которых выполнить структурно параметриче.скую оптимизацию, анализ и синтез крепей, комплексов и агрегатів и разработать технологию управления горным: давлением, что позволит решить проблему комплексно-механизированной выемки тонких крутых пластов.
Основная идея работы заключается в установлении с позиции системного подхода зависимостей и закономерностей совместного функционирования элементов и структурных образований объекта "крепь-массив пород кровли" для анализа и синтеза крепіей, ком?-плексов; и агрегатов и разработки технологии управления горным давлением,.
Автор защищает физико-технические основы управления горным давлением, которые позволили: разработать технология и создать механизированные крепи ШУ,2КГУ, ЗКГУ, комплекс "Украина", дио-танционно-автоматизированный комплекс KIT с крепями ІКГУ-Д, 2КГУ-Д, ЗКГУ-Д для отработки пластов мощностью 0,6-1,5 м с боковыми породами средней устойчивости, комплекс. КГ для пластов со слабыми боковыми породами, комбайны для выемки весьма тонких ("Поиск-I", "Малыш-74"), тонких ("Поиск-2") пластов, в результате чего решена важная научная проблема, имеющая народнохозяйственное значение.
Научные положения, защищаемые в диссертации и разработанные лично соискателем, и новизна. Разработана, математическая модель, отличающаяся тем, что она позволяет с единых позиций оценить степень, влияния основных параметров механизированных крепей и технологии: управления горным: давлением: на возникновение и развитие зон расслоения и трещинообразования. Открыто ранее неизвестное явление существования экстремальных напряжений и деформаций в массиве горных пород в зависимости от: угла падения пласта и физических свойств пород, позволяющее заранее обоснованно планировать применение соответствующей технологии управления горным; давлением и средств крепления в очистном забое по мере изменения угла падения, пласта.
Установлены закономерности проявлений горного давления при "отработке весьма1 тонких, тонких и средней мощности крутых угольных штатов комплексно-механизированными забоями, отличающиеся тем, что доказана зависимость величины и характера сближения боковых пород, характера обрушения кровли, размеров зон расслоения, трещинообразования и повышенного горного давления по падению и простиранию пласта, от физико-механических свойств пород, структур-но-литологического их состава, порядка отработки этажей в шахтном поле и технологии управления горным давлением.
Раскрыта физическая сущность образования нескольких зон повышенного горного давления при отработке тонкого крутого угольного пласта, заключающаяся в наложении опорного давления от ведения горных работ на вышерасположенном и рабочем горизонтах, на рабочей и отработанных панелях.
Впервые теоретически определен характер и условия взаимодействия смежных породных слоев в зависимости от условия их опирання, длины консоли, мощности слоев, удельного веса; пород, модуля Юнга и коэффициента Пуассона, что послужило основой для дальнейшего развития теории породных балок.
Установлены закономерности взаимодейслшия механизированных крепей с боковыми породами. Для различных пород кровли экспериментально определены зависимости величин, сближения от: ширины приза-бойного пространства и мощности пласта, определено влияние сопротивления и схемы передвижения механизированной крепи на сближение боковых пород, что позволило определить рациональные параметры.
Впервые установлена зависимость степени пигментации пластической прокладки OTL времени ее нагружения, определена область прше 10
нения методов обработки пигментированных лент, что позволило разработать приборы и конструкцию шахтной пластической прокладки и развить мещц измерения контактных давлений.
Впервые установлено, что из-за значительного изменения крепости и сопротивляемости угля резанию по длина лавы и ширине захвата комбайна происходит расаоглаоование фронта крепи и линии очистного забоя на величину, значительно превышающую систематические и случайные ошибки при передвижении секций. Ликвидировать это возможно только путем кинематической привязки комбайна к крепи, а не за счет. повышения точности механизма, передвижения.
Впервые показано, что решение задачи определения параметров системы передвижения в стохастической постановке нельзя обуславливать технологическими погрешностями и отклонениями от внешних возмущений, как случайными величинами.
Разработаны основы анализа и синтеза механизма, передвижения крепей, в которых предусматривается формализация его структурных, кинематических и динамических свойств, а выбор наилучшей системы передвижения выполнен методом: многопарам.етрической оптимизации.
Достоверность научных положений подтверждается:
адекватностью количественных и качественных результатов, полученных моделированием,, аналитическими исследованиями и расчетами на, ЭВМ, с наблюдениями в шахтных условиях;
обширным материалом; экспериментальных исследований в различи ных горно-геологических условиях шахт при использовании механизированных крепей, комплексов, агрегатов, выемочных машин и технологии управления горным, давлением;
применением необходимых способов обработки многочисленных эксп§риментальных данных, использованием современных существую II
щих и разработанных новых методов и приборов с необходимой точностью измерений при лабораторных, стендовых и горно-экспериментальных исследованиях;
проверкой разработанных параметров и рекомендаций в. производственных условиях, успешным; многолетним опытом применения созданных по результатам исследований крепей, комплексов, агрегатов и технологии управления горным давлением.
Практическая ценность работы. Результаты теоретических исследований позволили на практике принимать обоснованные решения при выборе параметров технологии и средств управления горным давлением.
Разработанная методология системного подхода к исследованию объекта; "крешь-массив пород кровли" дала возможность с единых позиций выполнить структурно-параметрическую оптимизацию технологии и средств крепления.
Сформулированные основные положения оптимизационного синтеза систем передвижения механизированных крепей, алгоритмы и программы решения их на ЭВМ использованы для расчета параметров механизмов передвижения ряда крепей. Методы поиска оптимального механизма передвижения имеют- общий характер и могут использоваться, как показано в работе, независимо от типа реальной крепи и при расчете любой гипотетической конструкции.
Функционально-структурный анализ и синтез, выполненный на базе многопараметрической оптимизации, позволил создать модульные узлы и секции, что значительно упростило процесс проектирования крепей, комплексов и агрегатов.
Разработанные методы построения типоразмерного ряда;, измерения контактных давлений на перекрытия кровли, приборы и измерительные стенды использованы при установлении, параметров комплексов. конструкции основных узлов и области эффективного применения механизированных крепей, комплексов и агрегатов.
Разработанные основы анализа и синтеза систем передвижения механизированных крепей, комплексов и агрегатов и проведенные измерения характеристик механизмов передвижения позволили обоснованно спроектировать ряд механизированных комплексов: для отработки тонких крутых пластов.
Практическая ценность работы также определяется:
созданием; и внедрением в производство механизированных крепей, комплексов и выемочных машин для отработки весьма тонких и тонких крутых угольных пластов;
разработкой и внедрением в производство технологик крепления и управления горным давлением в комплексно-механизированных забоях тонких и средней мощности крутых угольных пластов, обеспечивающей эффективную и безопасную их отработку;
экономической эффективностью и повышением технического уровня разработки весьма тонких, тонких и средней мощности крутых угольных пластов, в том числе со сложными горно-геологическими условиями;
длительным опытом использования на шахтах страны созданных механизированных крепей, комплексов, агрегатов и технологии управления горннмі давлением.
Реализация результатов исследований:
созданы и используются на шахтах страны механизированные крепи ЮТ, 2КГУ, ЗКГУ, три типоразмера комплексов "Украина", комплекс КГУ с дистанционшо-автоматизированными крепями ІКГУ-Д, 2КГУ Д, ЗКГ7-Д и комплекс КГ, комбайны "Малыш-74", "Поиск-1", "Поиск«2" и технология крепления и управления горным давлением в комплексно-механизированных забоях крутых пластов, а 5 образцов комбайна, "Малыш-74" работают в Испании; разработаны и утверждены технические задания на 10 наименований механизированных крепей, комплексов и выемочных машин, по которым спроектированы, изготавливаются и используются в производстве горные машины и оборудование;
механизированные крепи, комплексы, выемочные машины и технология, разработанные при выполнении диссертации, предусмотрены в проектах подготовки всех новых горизонтов шахт страны, разрабатывающих весьма тонкие, тонкие и средней мощности крутые пласты;
техническая документация, разработанная при выполнении; работы, принята Каменским машиностроительным заводом и Горловским машиностроительным; заводом им,.С.М.Кирова "Союзуглемаша", Горловским экспериментальным заводом и по ней ведется изготовление и эксплуатация созданного оборудования;
разработаны и внедрены на 27 шахтах Донбасса 7 нормативных документов по технологии и комплексной механизации выемки, крепления и управления горным давлением;
созданное оборудование и разработанная технология управления горным давлением в комплексно-механизированных забоях весьма тонких, тонких и средней мощности крутых пластов включены в ряд учебников для студентов горных вузов и техникумов: Бурча-ков А.С, Гринько Н.К., Черняк И .ДГ. Процессы подземных горных работ. - II.: Недра, 1976, 402 с; Некрасовский Я.Э., Колоколов О.В. Основы технологии горного производства. - М.:Недра, 1981, 199 с; Комплексная механизация и автоматизация очистных работ в угольных шахтах. Братченко Б.Ф., Докукин А.В., Архипов Н.А. и др. - М.: Недра, 1977, 415 с. и др. Работа по использованию созданных механизированных комплексов и выемочных машин включены в задания по реализации решаний ХХУІ съезда КПСС и в республиканскую программу "Энергокомплекс".
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на УН Всесоюзном семинаре по измерению напряжений в массиве горных пород (Новосибирск, Академгородок, 1979 г.), на Пи і Всесоюзных семинарах "Взаимодействие механизированных крепей с боковыми породами" (ИГД СО АН СССР, Новосибирск, Академгородок, 1980 г. и 1982 г.), на Всесоюзном семинаре "Физические свойства пород в массиве" (ИГД СО АН СССР, Новосибирск, Академгородок, 1980), на УП Всесоюзной конференции, по механике горных пород (ИГТМ АН УССР, Днепропетровск, 1981 г.), на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Опыт контроля несущей способности, механизированных крепей и их техническое обслуживание в шахтных условиях" (г.Донецк, 1980 г.), на совещании, по вопросу разработки рекомендаций по управлению горным давлением (ВНИМИ, Ленинград, 1980 г.), на республиканском научно-техническом, совещании по управлению горным давлением (г.Горловка, 1974 г.), на республиканской научно-технической конференции "Интенсификация подземной добычи угля и улучшение использования горной техники" (Киев, 1982 г.), на ХУШ научной конференции Новочеркасского политехнического института (Новочеркасск, 1967 г.), на I Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов угольной промышленности (ИГД им.А.А.Скочинского, Москва, 1979 г.), на заседании секции "Комплексная механизация и автоматизация" Центрального правления НТГО (г.Горловка, 1981 г.).
Разработанные механизированные крепи, комплексы и выемочные машины экспонировались на ВДНХ СССР (М., 1978 г.), ВДНХ УССР (К.,1979 г.), ВДНХ УССР (К., 1978 г.).Международной выставке "Уголь-75" (Донецк, 1975 г.)» Международной ярмарке горношахтного оборудования (Будапешт, ВНР, 1979 г.).
Публикации, Основные положения диссертации опубликованы в 68 работах, в том числе в 5 монографиях, Ч книгах и брошюрах, 35 статьях и 24 авторских свидетельствах.
Научно-исследовательские, проектно-конструкторские, опытно-промышленные работы, испытания и внедрение созданного оборудования и технологии, вошедшие в диссертационную работу, выполнены в Донуги под руководством и при непосредственном участии автора в период с Вбб-1982 г.г.
Исследования выполнялись в условиях весьма тонких, тонких и средней мощности крутых и крутонаклонных угольных пластов, что соответствует принятой терминологии. О целью сокращения и для удобства пользования в названии работы и в тексте приняты допущения; под "тонкими крутыми угольными пластами" следует подразумевать "весьма тонкие, тонкие и средней мощности крутые и крутонаклонные угольные пласты".
Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность и признательность Лауреату Государственной премии УССР академику АН УССР В.Н.Потураеву за советы и ценные замечания при выполнении работы.
Автор искренне благодарит сотрудников лаборатории и сектора гидрокрепей Донуги, рабочих и инженерно-технических работников шахт и объединений Центрального района Донбасса, Каменского, Гор-ловского им.С.М.Кирова и Горловского экспериментального заводов за участие в экспериментах на стендах и в шахтных условиях, изготовлении и внедрении в производство разработок, предложенных авто ром диссертации.
Влияниа горно-геологических условий на технологию выемки, крепления и управления ,горным; давлением
Тонкие крутые пласты в СССР разрабатываются в Донбассе, Кузбассе, Урале и Сахалине. Основную добычу из тонких крутых пластов дают шахты Центрального района Донбасса. Удельный вес добычи шахт: Центрального района составляет lOfo общей добычи из крутых пластов на Украине, тогда как в Карагандинском бассейне из крутых пластов добывается всего 1,% угля. На шахтах Кузбасса на рабочих и резервных горизонтах сосредоточено на пластах мощностью 0,7-2,5 м всего 109,7 млн.т угля. Горно-геологические условия шахт Центрального района Донбасса значительно сложнее по сравнению с шахтами других бассейнов страны. Поэтому при создании -техники и технологии разработки тонких крутых пластов прежде всего должны учитываться горно-геологические условия Центрального района Донбасса.
Центральный район Донбасса расположен в центре западной части Главной антиклинали бассейна на площади 1000 км и занимает участок длиной 65 км и шириной до 15 км, простирающийся с востока-юго-востока на запад-северо-запад. Основные запасы угля находятся в симметричных крыльях антиклинали с северным и южным крутым залеганием угольных пластов. Крылья антиклинали открыты в восточной и закрыты в ее западной части. На территории района размещается 32 шахты, из них 12 шахт расположены на северном крыле антиклинали, 19 - на южном, и одна на - западной замковой ее части.
Угленосная толща Центрального района Донбасса представлена Исаевской, Алмазной, Каменской, Несветаевской, Смоляниновской и Моспинской свитами (табл.П.1.1). Наибольшую промышленную угленосность имеют Каменская, Алмазная и Горловская свиты.
В районе имеются ПО угольных пластов и пропластков, из которых промышленное значение имеют 58 угольных пластов мощностью О,4-2,5 м. Из 340 действующих лав 43,4$ работают на пластах мощностью 0,6-1,2 м, а 51,7$ лав отрабатывают пласты мощностью до 0,7 м и только 28,3 работают на пластах мощностью более 1,2 м., причем с увеличением глубины разработки растет количество лав, отрабатывающих маломощные пласты (табл.П.1.2). Поэтому в перую очередь необходимо уделять большее внимание созданию средств выемки, крепления и управления горным давлением для отработки пластов мощностью до 1,2 м.
Угол падения пластов колеблется от 33D до 7 , т.е. более чем в 2 раза, причем 7 5,3$ лав работают на пластах с углом падения 51- 65.
Очистные работы в 76,4$ лав ведутся на глубине, свыше 700 м, из них 27$ лав работают на глубине 900-1000 м (табл.П.1.3). Горно-капитальные работы ведутся на глубине ІІ0О-І20О м; геологическая разведка - на глубине 2200 м. Учитывая, ЧФО ежегодно глубина работ; увеличвается на 20 м, технология и средства выемки; крепления и управления горным давлением должны создаваться для глубоких горизонтов С1000 м и более).
С переходом на более глубокие горизонты возросло количество лав на пластах мощностью до 0,7 м. Так, на глубине 301-500 м количество лав, работающих на пластах мощностью до 0,7 м, составляло 4, , а на глубине 901-1000 м - 20,4$ лав. Исходя из этого с переходом на более глубокие горизонты первостепенное внимание следует уделять созданию техники и технологии для отработки маломощных крутых пластов.
В районе отрабатываются более 500 шахтопластов с углями марки Г, 1, К, ОС, Т, ПА и А", преобладают коксующиеся марки 1, К, ОС.
Угли пластов имеют высокую нарушенность и трещиноватость, связанную с тектоническими процессами форирования района в антиклинальную складку. Густота трещин колеблется от 100 до 2000 трещин на I м поверхности угольного забоя. В результате этого крепость угля даже ненарушенных пластов составляет 0,5-1,5 единиц по шкале проф.Протодъяконова, а сопротивление угля резанию составляет,- в основном, 30-130 кН/м и только отдельные угольные пласты имеют сопротивление угля резанию до 200 кЦ/н. Нарушенные пласты имеют прочность 0,5-1,0, что способствует самопроизвольному обрушению угля. В зонах опорного давления интенсивность самообрушения угля увеличивается, что приводит к большим обнажениям боковых пород и снижению их устойчивости.
Многие угольные пласты имеют большое количество твердых включений или состоят из чередующихся слоев угля, пород глинистого и углистого сланцев. Суммарная мощность прослойков иногда достигает половины мощности пласта, в таких случаях зольность угля выходит за пределы установленной нормы по району (40$). В 4С$ действующих очистных забоев суммарная мощность таких прослойков составляет 10-2 а в 20,5$ очистных забоев угольные пласты имеют твердые включения. Крепость породных прослойков в отдельных пластах достигает 3-8 единиц по шкале проф.Протодъяко нова, что затрудняет эффективное их разрушение.
Поэтому, с одной стороны, средства выемки должны обладать способностью разрушать крепкие породные прослойки в угольных пластах, ас другой - технология крепления и управления горным давлением должна учитывать способность угольных пластов обру-шаться и обнажать боковые породы на больших площадях.
Угольные пласты Центрального района Донбасса имеют высокую степень метанообильности и выбросоопасности (табл. П.1.4). Так, 5б,]# лав отрабатывают пласты с метанообильностью свыше 10 м3/мин. на I т суточной добычи, из них в 12,2$ лав этот показатель составляет более 20 м3/мин. Количество лав, отрабатывающих пласты опасные по внезапным выбросам угля и газа, составляет 51,4$. В районе нет пластов, которые бы не выделяли метан при их отработке. Высокая метанообильность и выбросоопасность угольных пластов предъявляет особые требования к технологии и средствам комплексной механизации.
Боковые породы угольных пластов района представлены глинистыми, песчанистыми сланцами, песчаниками и известняками (табл. П.І.5). Породы кровли (83,1$) и почвы (90,3$) в своем большинстве; представлены глинистыми и песчанистыми сланцами. Известно, что эти породы имеют, как правило, меньшую прочность, а следовательно, и устойчивость, чем песчаники и известняки. Это обстоятельство существенно предопределяет технологию крепления и управления горным- давлением.
Однако, при выборе средств крепления и технологии управления горным: давлением, большое значение имеет отношение мощности вмещающих пород к мощности пласта (табл. П.І.б). Отношение мощности пород непосредственной кровли к мощности пласта меньше четырех имеют 42,3$ лав. При таком соотношении не обеспечивается подбу чивание вышележащих слоев после обрушения непосредственной кровли:, поэтому имеются определенные трудности при управлении горным давлением полным обрушением..
С ростом: глубины разработки возросло горное, давление, что привело к еще большему снижению устойчивости боковых пород в очистном забое при отработке крутых пластов. За последнее десятилетие при увеличении глубины разработки на 200 м возросло количество лав, разрабатывающих пласты с неустойчивыми породами, а 29,6$ до 42,2$. На пластах с породами кровли средней и выше, средней устойчивости работают 57,6$ действующих лав (табл.П.1.7);42,2$ лав имеет/ ложную и слабую кровлю, поэтому в таких лавах должны применяться средства комплексной механизации для пластов с неустойчивыми боковыми породами.Породы почвы средней и выше устойчивости имеются в 59, $ лав. В этих условиях наиболее благоприятно применение средств комплексной механизации.
Результаты аналитических исследований по определению влияния параметров технологии, на напряженно-дефорирован-ное состояние, пород кровли при подвиганий; очистного забоя по простиранию
Для численной реализации полученных выражений (3.34-3.36) необходимо указать пределы изменения параметров а » Ь к
В соответствии с существующими паспортами крепления и управления горным давлением, / 30,31,32 / и проведенными экспериментальными исследованиями / 4,10,17,35,36 / ширина призабойного пространства. С а ) изменяется от,1 4 до 8 м . Зона восстановления опорного давления С b ) в зависимости от. способа управления горным давлением изменяется в пределах 20-60 м и более., С до 300 м).
Граница зоны опорного давления впереди очистного забоя С і ) изменяется в пределах от 9 до 40 м, а расстояние до максимума опорного давления ( К ) - от 2 до 15 м..Расчеты производились на ЭШ ЕС-1033 для горных боковых пород: устойчивых JJ = 0,2; средней устойчивости р =0,3; неустойчивых ju =0,4.Так как модуль Юнга Е и составляющая опорного давления Рох » Poz входят в формулы 3.34-3.36 в качестве множителей, то в дальнейшем величину деформации U x ; Uzz ; tlxz будем выражать в долях - р- и %- . Варьирования В Рох , Р02 будут особо оговариваться.
При расчете напряженно-деформированного состояния вокруг очистного забоя, двигающегося по простиранию, величины касательных напряжений, направленных по простиранию отсутствуют С Ро = 0 ), поэтому в выражениях 3.34-3.36 соответствующие члены обращаются в нуль.
Величины -иг и Pw входят в выражения U2Z , IU f U« би 6ZZ 6XZ (3.31, 3.32, 3,34, 3.36) .в качестве множителей и не анализируются при. расчетах. Для удобства эти величины условно приняты равными единице. Поэтому на графиках изолиния напряжений и деформаций имеют условную величину, выраженную в долях ffr или Poz . Координаты изолиний, их изменение и поведение не зависят, от такого допущения, т.к. указанная величина входит в качестве множителя.Для оценки степени, изменения компоненты тензора деформации введем коэффициент изменения деформацийCUe=Uzz(X) ) при fbfx)=P :H PxfXhPo ,Х-± о,(при равномерно распределенном горном давлении нетронутого массива).
В условных единицах Ue = +ju)(j-2ju)Результаты расчетов будут представлены графически изолиниями напряжений и деформаций. Для наглядности в нижней части рисунков приводятся эпюры напряжений на контакте кровля-пласт обозначенные здесь и в дальнейшем а, б, в, г в столбце слева рисунков: I - при JLI = 0,2; 2 - при JU = 0,3; 3 - при jl/ = 0,4 согласно расчетной схеме рис.3.1Основными характерными изолиниями деформаций являются, изолинии Urz = или Uxx = - Изолиния Uzz = 0 ограничивает область, в которой породы растянуты нормально к напластованию. Изолиния Uxx - 0 ограничивает область, в которой породы растянуты по напластованию. Расчитываются также изолинии деформаций и напряжений, численно равные или кратные деформациям и напряжениш на бесконечности. Для напряжения эта величина равна Por, что соответствует изолинии. би = I, или кратное ей (например I, 2, 3, 4).
Для деформаций эта величина равна [f = (I + ju ) (I - 2ju): что при JU = 0,2 составляет 0,72; при JU = 0,3 составляет 0,52, а при ju = 0,4 равна 0,28. При необходимости получения более детальной картины распределения деформаций и напряжений в породах кровли использовались промежуточные значения.
На рис. 3.2 приведены результаты расчетов зависимости деформаций Uxx , Uiz от ширины призабойного пространства С а ) и свойств пород кровли. При изменении ширины призабойного пространства от 4 до 8 м Ртш, изменяется от 4 Ри до 4,2 Р02 , т.е. незначительно. Над призабойным и выработанным, пространством существуют зоны, в которых породы растянуты по нормали к напластованию С Urz - 0 ). В этой же области породы сжаты по напластованию и могут иметь в глубине массива пород кровли очаги концентрации.
Впереди очистного забоя над угольным пластом могут образовываться зоны, в которых породы растянуты по напластованию С Uxx 0 ) и сжаты нормально к напластованию. Аналогично могут возникать очаги повышенных деформаций. С наличием зон ( Uzz Q ) связаны расслоения пород кровли, а зон С Uxx O ) - вертикальное или близкое к вертикальному трещинообразование.
При JU = 0,2 и изменении: ширины призабойного пространства от 4 до 8 м (рис.3.2-1а,б,в) над призабойным и выработанным пространствах область пород, растянутых нормально к напластованию ( Uzz 0 )» увеличивается незначительно. Остальные изолинии, практически не изменяются. Это свидетельствует о том, что при устойчивых породах кровли ( ju =0,2) ширина незакрепленно 69го пространства ( О ) при ее. изменении от 4 до 8 м практически не влияет на напряженно-деформированное состояние кровли впереди очистного забоя. Величина возможной зоны расслоения над призабойным и выработанным пространством: С \}ZJ О ) тлеет незначительные размеры.
При породах средней устойчивости a ju =0,3 (рис.3.2. -2а, б, в) над призабойным и выработанным пространством зона расслоения пород кровли, ограниченная изолинией Uzz = 0, имеет значитеЛЕНО большие размеры по сравнению с аналогичной изолинией при устойчивых породах кровли с ju = 0,2. З то ке время изолиния Uzz = 0 изменяется незначительно при. изменении ширины незакрепленного пространства (0 ) от 4 до 8м. В этом случае возникает и увеличивается область, оконтуренная изолинией UiZ = = -0,2. Кроме того; над призабойным пространством возникает обособленная область, в которой породы сжаты по напластованию ( UXx » 0,85).Впереди очистного забоя над угольным пластом при породах кровли а р = 0,3 возникает зона \}%% = 0, в которой породы растянуты по напластованию. Внутри этой области с увеличением ширины незакрепленного пространства возникает и увеличивается зона отрицательных значений Uxx О
Таким образом, при породах средней устойчивости над призабойным и выработанным пространством зона расслоения ( Uzz 0 ) имеет значительные размеры. Над угольным пластом впереди забоя появляется зона, в которой породы кровли растянуты вдоль напластования С Uxx 0 ) Внутри этой зоны при ширине призабойного пространства равной б м появляется зона Uxx - -0,08, а приО = б м зона Uxx = - 0,1 С ЗЄ = - 0,15 и ЗЄ = - 0,19 соответственно). При слабых породах кровли, с ju = 0,4 зона расслоения по-РОД С Uzz = 0) над призабойньш и выработанным пространством еще больше увеличивается по сравнению с породами кровли ju =0,2 и ju = 0,3. Внутри этой области возникают и растут зоны отрицательных значений деформаций Ца = - 0,2; Uzz = - 0,3;Uxx = 0,75 С ЗЄ2 = - 0,71; ЗЄ2 = -1,07; Xz = 2,68 соответственно) .
Впереди очистного забоя над угольньш пластом значительно возросла зона трещинообразования С U x 0) , в которой породы растянуты вдоль напластования. Внутри этой области возникают и растут зоны отрицательных значений Uxx O .
Таким образом, при неустойчивых породах кровли с ju =0,4 зоны расслоения С (Jzz 0 ) и трещинообразования ( Uxx O ) имеют значительные размеры. Однако изменение ширины незакрепленного пространства аущественн.о не сказывается на изменении напря-женно-деформированЕОго состояния пород кровли.
Изменение напряжений бхх $ бгг ибхі при изменении ширины призабойного пространства ( Я ) приведены на рис.3.3. Следует заметить, что напряжения $%% , 6ZZ и (5XZ не зависят от физико-механических свойств пород в соответствии с уравнениями 3.27-3.29. Исходя из этого, здесь и в дальнейшем изменения напряжений при различных параметрах технологии управления горным давлением будут анализироваться без учета физико-механических-свойств пород кровли, а результаты расчетов в равной степени относятся к любым породам кровли.Из рис.3.3. видно, что при изменении ширины разгруженного пространства от 4 до 8 м над призабойным и выработанным пространством изолиния напряжений 6ZZ , равная 0,2 Рп, достигает высоты 6-8 м, а такой же величиной изолиния напряжений бы - вы
Определение влияния угла падения пласта на напряженно-деформированное состояние пород кровли
Многочисленными экспериментальными исследованиями в шахтных условиях установлено,- что проявления горного давления зависят от угла падения пласяа / 4,10,12, 16, Г7, 18, 36, 64, 118, 122/. Большинство исследователей приходит к выводу-, что с увеличением угла падения величины сближения боковых пород уменьшаются.
Для установления такой тенденции рассмотрим пространственную задачу теории упругости. Как указывалось в разделе 3.1, расчет компонент тензора деформации определяется согласно формулкомпоненты тензора Грина, определяющие деформацию кровли.
Из формул 3.9-3.14 видно, что компоненты тензора Грина не зависят от. угла падения плаата. Учитывая, что тензор деформации зависиі от. угла падения пласт можно сделать вывод, что в выражении. (4.1) угол падения входит в величину давления Pj, ( Х ;у ).
Экстремальные величины деформаций определяются путем приравнивания к нулю соответствующих производных компонент. тензора деформаций
Напряжения на границе угольный пла&і - кровля Vi(x ,y ) на бесконечности должны удовлетворять условиюгде Pzfx y ), Ру(У, у ) - безразмерные функции, характеризующие напряжения на границе угольный пласт - кровля.
Полагая, что Р2 (X , у ), Ру СЛ у ) зависят от угла падения пласта не значитеЛЬЕО, получим согласно выражениям (4.2) и (4.4)s Откуда угол падения плаата, при котором; компоненты тензорадеформаций будут экстремальными определяются из выраженияS
Характерней особеннохзягыо выражения (4.5) является отсутствие коэффициента бокового распора1 -А - . В соответствии сформулами (3.9-3.14) в компоненты тензора Грина входит коэффициент Пуасаона. ( и ), выражающий прочностные свойства пород кровли, поэтому угол падения пласта, при котором компоненты тензора дефораций экстремальны, будет различным; для различного класса боковых пород. Для напряжений аналогичной зависимости от JU , как в соответствии с формулами (3.16-3.21), не будет.
Согласно принятой расчетной схеме; проанализируем поведение характерных изолиний компонент тензора деформаций Uyy , (Jzz . Расчеты выполнялись для углов падения пласта 45, 60 и 80 (рис.4.7, 4.8, 4.9).
При изменении угла падения пласта от 45 до 80 зона возможного расслоения пород над призабойнын и выработанным пространством, ограниченная изолинией (Jzz- 0, изменяется незначительно (рис.4.7). Зона пород, ограниченная изолинией Uzz=-0,I, при устойчивых породах кровли исчезает при угле падения пласта более 45. Для пород средней устойчивости при (X 60 исчезает зона пород, ограниченная изолинией Uzx=-0,2, а неустойчивых -Uzz = = -0,3. Такая тенденция свидетельствует о том, что породы с одинаковыми физическими свойствами с увеличением угла падения пласта менее подвержены расслоение.
Вместе с тем, при неустойчивых породах кровли зона возможного трещинообразования впереди очистного забоя, ограниченная изолинией Uxx = 0, несколько уменьшается при изменении угла падения пласта от 45 до 60, а при дальнейшем увеличении угла падения пласта с 60 до 80 эта зона значительно растет. Это свидетельствует о том, что существует угол падения пласта, при котором деформации пород экстремальны (в данном случае они минимальные).
Для определения экстремальных значений деформаций пород кровли в зависимости от угла падения угольного пласта и свойств по-род были вычислены и построены изолинии распределения относительных деформаций ЗЄуу , 3?zz . На рис.4.8 сплошной линией изображены относительные деформации 3?zz , пунктирной Э?уу .
При породах любой устойчивости площадь, оконтуренная изолинией относительных деформаций 36zz = 3, характеризующая степень сжатия пород кровли вдоль напластования, с увеличением угла па дения от 45до 60 увеличивается и распространяется в сторону призабойного и выработанного пространства, а при дальнейшей увеличении угла падения & 60 до 80Р эта площадь значительно уменьшается. Таким образом, в интервале углов падения пласта от. 45 до 80 имеется такой угол падения пласта, при котором площадь, ограниченная изолинией 9ЄУу", максимальная, что может привести к понижению устойчивости пород кровли над очистным: забоем. Аналогичный вывод можно сделать при анализе других изолиний, характеризующих аруу. Кроме того, с увеличением; р , т.е. с понижением устойчивости пород кровли, наблюдается рост величин относительных деформаций. Для изолиний напряжений такой зависимосди не наблюдается (рис;.4.9).
Таким образом, полученная ранее зависимость (4.5) о наличии угла падения пласта, при котором, породы кровли с определенными свойствами имеют величины экстремальных деформаций, подтверждаются выполненными расчетами на конкретных примерах.
Первоначально щитовые агрегаты создавались для работы со способом: управления горным давлением полным; обрушением; на подвижную бутовую полосу, располагаемую непосредственно над щитовой механизированной крепью. Породы подвижной бутовой полоси воспринимали на себя часть горного давления со стороны кровли т почвы, а также защищали агрегат от динамических воздействий обрушенных пород выработанного пространства.
В последние годы щитовые агрегаты повсеместно стали применяться на выемочных участках, работающих по столбовой системе разработки /47,48/. На рис .4.10 приведены прогрессивные схемы подготовки выемочных участков при столбовой системе разработки полосами по падению; на ряде шахт успешно опробована схема отработки угольного пласта щитовыми агрегатами на высоту нескольких горизонтов (рис .4. Юг).
В соответствии с принятыми технически целесообразными схемами подготовки выемочных участков исключается возможность эффективной засыпки бутовой полосы на заднее ограждение щитового агрегата, поэтому выемочные участки стали отрабатываться с, применением, способа управления горным, давлением полным обрушением в чистюм; виде. Это привело к сложному возникновению зон повышенного горного давления по падению и простиранию пласта по мере; отработки выемочного участка.
Анализ завалов лав, оборудованных щитовыми агрегатами, показывает; что они приурочены к определенным зонам. Для выяснения причин, возникновения этих зон проводились многолетние наблюдения и измерения при работе щитовых агрегатов в большом диапазоне горно-геологических условий крутых пластов бассейна.
Измерениями установлено, что интенсивное вывалообразование в очистном забое наблюдалось в зонах повышенных сближений боковых пород, замеренных в углеспускных печах впереди очистного забоя (рис.4.II). При этом в одних щитовых забоях обрушения кровли и завалы были приурочены только к верхней части этажа у вентиляционного горизонта, в других - к верхней и средней частям этажа (рис..4.П), в третьих - к верхней, средней и нижней его частям (рис.4.II).В результате измерений и наблюдений выполнена; типизация пород
Результаты аналитических исследований по определению влияния величины сопротивления и схемы передвижения крепи на напряженно-деформированное состояние пород кровли
При установлении влияния сопротивления крепи на напряженно-деформированное состояние нагрузка на кровлю со стороны крепи
Р„ принималась равномерной по всей длине перекрытия С X X/V Положение начала и конец перекрытия относительно линии забоя определялось расстоянием соответственно X/ и х« олагая F2= Рк и интегрируя выражения (3.24-3.30) можно определить компоненты тензора деформации от.1 ВЛИЯНИЯ сопротивления крепи
В полученных выражениях компоненты тензора деформаций расчитывались согласно выражениям (3.34-3.36), компоненты тензора напряжений — согласно выражения (3.15).
В существующих крепях величина сопротивления колеблется от 100 кН/м до 2000 кН/м . С целью установления влияния крепи с большой величиной сопротивления на напряженно-деформированное состояние кровли зададим величину сопротивления в пределах от О до 10000 кЦ/м2.
Для удобства, решения задачи величину сопротивления будем задавать в долях от РИ (ОТ уН ) и будем варьировать оті 0 до 0,5 Р02 . Величина 0,5 Poz (0,5 Н ) на глубине 800 м составляет 10000 кБ/м . При расчетах на ЭВМ были исследованы различные варианты размещения крепи относительно забоя, а также при сосредоточенном к рассредоточениям распределении сопротивления крепи по ширине призабойншго пространства. В качества одного из вариантов на рис.5.I. принята специальная посадочная крепь шириной I м, расположенная на расстоянии I м: от забоя и І м от закладки. Для сравнения приведены результаты расчетов при отсутствии крепи в очистном забое (рис.5.1а), т.е. Рк =0.
Над угольным; пластом при устойчивых породах кровли ( JU = =0,2) изолинии, дефораций не изменялись при увеличении сопротивления крепи от1 нуля до 10000 кЦ/м2 (рис.5.І.і). В этом случае над призабойным и выработанным пространством зона возможного расслоения пород, ограниченная изолинией Wzi = 0, незначительно уменьшилась при увеличении сопротивления крепи от 0 до 10000 кН/м . Начиная с Рк = 0,3 Poz(сопротивление крепи равно 6000 кН/м2) зона пород, ограниченная изолинией Uzz = 0, уходит в верхний слой кровли. Кроме того, при Рк О,3 Р02непосредственно у забоя имеется небольшая зона с Uzz = 0. Наличие этой зоны объясняетсятсутствием крепи, установленаой непосредственно у забоя. Остальные изолинии деформации остались без изменений.
При породах кровли средней устойчивости ( ц = 0,3) изолинии деформаций впереди очистного забоя остались без изменений несмотря на увеличение сопротивления крепи (рис.5.1.2). Над при-забойным и выработанным; пространством зона возможного расслоения пород кровли, ограниченная изолинией Ц„ = 0, осталась практически без изменений при увеличении сопротивления крепи. Внутри этой зоны с увеличением сопротивления крепи уменьшается зона пород, ограниченная изолинией Ци = -0,2, а начиная с сопротивления крепи 10000 к м2 эта: зона исчезает. С увеличением сопротивления крепи наблюдается уход в вверх над крепью изолинии Wlt = 0 на высоту до I м. Остальные изолинии; деформаций остались практически без изменений.
При неустойчивых породах кровли ( р = 0,4) изолинии деформаций над угольным пластом не изменились с увеличением сопротивления крепи (рис. 5.1.3). Площадь зоны возможного расслоения пород кровли над призабойныи и выработанным пространством, ограниченная изолинией U2r = 0, не изменилась. Внутри этой зоны с увеличением сопротивления крепи уменьшилась площадь пород, ограниченная изолинией UK = -0,3. С увеличением сопротивления крепи наблюдается изменение изолинии непосредственно над крепью. Остальные изолинии остались без изменений. Изолинии напряжений практически не изменились при увеличении сопротивления крепи (рис.5.2).
Таким образом, при сосредоточенной нагрузке величина сопротивления крепи не влияет на состояние пород кровли впереди очистного забоя. Влияние сопротивления крепи на расслоение пород непосредственной кровли мощностью до 2 м имеет место только при
На рис.5.3 приведены результаты исследований влияния сопротивления механизированной крепи на состояние кровли. В условияхустойчивых пород кровли С JJ = 0,2) при увеличении сопротивления крепи от 0 до 0,30 Рг (6000 кЦ/м2) изолинии деформаций впереди очистного забоя над угольным пластом не изменяются (рис.5.3.1). Над призабойным пространством зона возможного расслоения пород кровли, ограниченная изолинией Uzt = 0, уменьшается.
При Рк =0,05 Pez (500 кЦ/м2) непосредственно над крепьюобразуется зона пород, в которой деформации Uzz 0. При Рк -- 0 ,3 Р„ (6000 кі м2) зона пород, ограниченная изолинией Uzz = 0, уходит в сторону выработанного пространства, а у забоя образуется вторая небольшая аналогичная зона.
В случае пород средней устойчивости ( р =0,3) изменение сопротивления крепи также не влияет на состояние пород кровли впереди очистного забоя. Над призабойным пространством зона пород кровли,1 ограниченная изолинией [}ц = -0,2, с увеличением сопротивления крепи уменьшается. При увеличении сопротивления крепи до 0,1 Ря (2000 кЦ/м2) изолиния Uw = 0 уходит над крепью вверх. Однако изменение изолинии llzz = 0 значительно меньше, чем при устойчивых породах (сравните рис.5.3.1г и рис.5.3.2г).
При неустойчивых породах кровли ( р = 0,4) с увеличением, сопротивления крепи впереди очистного забоя над угольным пластом изолинии деформаций не изменяются. Незначительно уменьшается с увеличением сопротивления крепи зона пород кровли, ограниченная изолинией Uzz = -»3 над призабойным и выработанным пространством:. Изолиния деформации Uxx= 0 изгибается над крепью только при Рк = 0,30 Poz (6000 кЦ/м2). Изолинии напряжений практически остались неизменными при изменении сопротивления крепи (рис.5.4).
Проведенные расчеты показали, что при механизированной крепи величина сопротивления не влияет на напряженно-деформированное состояние пород кровли впереди очистного забоя. Небольшое влияние на расслоение непосредственной кровли мощностью 1-2 м ощущается только при значительных величинах сопротивления (2000 кЦ/м2-бО00 кЦ/м2).
Для сравнения влияния крепи с сосредоточенным и равномерным распределением сопротивления по ширине призабойного пространства выполнены расчеты, результаты которых приведены на рис.5.5.
Расчеты выполнены при условии отсутствия крепи, с крепью с сосредоточенной нагрузкой рк = 0,3 ог (6000 кй/м2) и с механизированной крепью при двух величинах сопротивления Р„ = о,1 Ря (2000 кВ/м2) и рк = 0,3 Ри (6000 кЦ/м2). Для удобства сравнения оба типа крепи установлены от забоя на расстоянии I м, а б м выработанного пространства за крепью приняты неподбучен-шми. Независимо от характера распределения сопротивления по ширине призабойного пространства напряженно-деформированное состояние пород любой устойчивости не изменялось. Над призабойным пространством увеличение сопротивления крепи приводит к меньшим расслоениям;;; непосредственно над крепью. Равномерное распределение величины сопротивления крепи по пгарине призабойного пространства (рис.5.5г) приводит к меньшим расслоениям по сравнению с сосредоточенным сопротивлением (рис.5.5г). При устойчивых породах кровли изолиния деформаций и22- наД призабойным пространством изменяется с увеличением сопротивления больше, чем при породах средней и ниже средней устойчивости.
Результаты расчета величин деформаций пород кровли при креплении очистного забоя механизированной крепью, установленной непосредственно у забоя показаны на рис.5.б.В этом случае выра
