Введение к работе
Актуальность работы. Одной из основных проблем работы угольных и рудных предприятий в настоящее время является разработка высокопроизводительных технологий для выемки угля и руды в сложных горно-геологических условиях и с увеличением глубины разработки месторождений полезных ископаемых. - .
При разработке месторождений в сложных геологических условиях резко изменяется характер проявления горного давления, происходит интенсивное деформирование и обрушение горных пород, значительный рост нагрузок на крепи.При этом особенно актуальной становится проблема изучения проявлений горного давления,решения вопросов, связанных о комплексным исследованием напряженно-деформированного состояния массива пород, механизма взаимодействия статических и динамических полей напряжений и деформаций, обусловленных протекащимя в массиве природными и технологическшли процессами. Исследование этих вопросов позволяет разработать наиболее рациональные параметры систем разработки, способы управления горным давлением в очистных и подготовительных выработках, охемы расположения, способы поддержания капитальных и подготови-тельных выработок^ способы управления кровлей, параметры буро-взрнвных работ и подойти к решению проблём~подземной добычи, связанных о экологическими вопросами и наиболее полным извлечением запасов полезных ископаемых.
Надежность и результативность этих исследований и разработок во многом зависит от эффективности применяемых экспериментальных методов и возможности достоверного и точного использования полученных данных.
В наотоящее время значительное внимание уделяется вопросам применения и совершенствования методов и средств для исследования вадач механики горных пород и приближения их к требованиям и запросам горного производства. При этом методы, основанные на физическом моделировании, являются наиболее эффективными, а в ряде случаев и единственными, позволявшими исследовать напряженное оостояние массива и подземных сооружений и получить данные для инженерного решения проблем разработки полезных ископаемых.
Однако используемые методы исследований статических и динамических процессов в горном массиве имеют'ряд недостатков, связанных с невозможностью изучения процессов горного производства в объемной постановке, с отсутствием надежных методов исследования волновых процессов и др. Всо ото сдерживает расширение експериментальних работ и получение необходимой информации для установления закономерностей протекающих в массиве процессов.
Процессы, протекающие в массиве при наличии сложных горно
геологических условий, отличаются особой сложностью и требуют
тщательного выполнения критериев моделирования. В этой связи ус
тановление эффективных параметров горных работ при разработке
угольных и рудных месторождений в сложных горно-геологических
условиях на основе использования комплекса методов физического
моделирования, позволяющего получить более точную информацию при
исследовании различных квазистатических и динамических процессов ,
в массиве, а также на основе разработки и совершенствования но
вых методов нагружения и фиксации напряженного состояния моделей
массива, является актуальной задачей и сокращает сроки проведе
ния исследований и затраты на них.
Целью работы является разработка и обоснование параметров горных работ в сложных геологических условиях на основе исследования методами физического моделирования геомехакичеоких процессов, происходящих в массиве горных пород.
Идея работы заключается в установлении закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния горного массива при статическом и динамическом нагружении для эффективного ведения буровзрывных работ . и повышения устойчивости выработок в сложных горно-геологических условиях.'
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована:
представительным объемом экспериментальных лабораторных (более 200 моделей) и полигонных исследований по определению распре деления полей напряжений и деформаций в массиве при изучении различных технологических процессов горного производства^ _
применением методов флзическогоіїодолирования при выполнении требований теории подобия; применением методов математической статистики с использованием для обработки данных ЭВМ;
удовлетворительной сходимость» результатов лабораторных в промышленных данных при значении коэффициентов корреляции 0,60-0,85 и их надежности больше 2,6;
положительным опытом использования основных выводов и рекомендаций диссертации на шахтах и рудниках Донецкого бассейна, Дальнего Востока, Грузии с получением фактического экономического эффекта.
Методы исследований.В настоящей работе использован комплексный метод решения поставленных задач, включающий научное обобщение и анализ теоретических и экспериментальных исследований напряженного состояния массива и процессов горного производства в нашей стране и за рубежом, аналитические исследования, методы математической статистики с использованием ЭВМ, лабораторное моделирование на оптически-чувствительных и эквивалентных материалах с использованием процесса электровзрыва металлических проводников,стендовое моделирование в полигонных условиях с использованием тензо- и термочувствительных элементов, шахтные инструментальные наблюдения за поведением массива в очистных и подготовительных выработках, технико-экономический анализ, опытно-' промышленные испытания и внедрение разработок в шахтных условиях.
Научные положения, выносимые на защиту:
способы моделирования воздействия взрыва зарядов ВВ на массив горных пород с помощью электровзрыва металлических проводников и определения параметров волн напряжений в объемных моделях при исследовании динамических процессов в массиве;
способы нагрукения по заданным схемам и определения напряженно-деформированного соотояния объемных моделей при исследовании, квазистатических процессов в массиве;
закономерности взаимодействия волн напряжений с горными выработками при динамическом нагружении массива;
методы определения энергетических параметров волн напряжений при воздействии на массив газодинамическими источниками нагрукения; параметры способов отбойки угля пневмопатронами на крутых пластах;
закономерности изменения напряженного состояния горных выработок на больших глубинах при охране их целиками угля;
закономерности изменения напряженного соотояния горных выра- ',; '.':: боток при разработке пологих пластов на больших глубинах и пара»';;?' мэтры опоообов их охраны, оовованные на выемке плаота над выра^ : , ботками разгрузочной лавой и проведением разгрузочных скваяин из пластовых выработок;
закономерности изменения напряженного состояния подготовительных выработок в неустойчивых породах при различной последо-
вательности их проведения в массиве и расположении относительно
пласта; ,
закономерности изменения напряженного состояния охранных целиков вертикальных отводов; параметры их изменения в прочных вмещающих породах рудных месторождений;
закономерности изменения напряженно-деформированного состояния массива пород труднообрушаемой кровли при изменении основных горно-геологических параметров; расположение зон рационального размещения скважинных зарядов ВВ при разупрочнении труднообрушаемой кровли.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработана методика динамического нагружения моделей горно
го массива, основанная на электровэрыве металлических проводни
ков; получена аналитическая зависимость, обеспечивающая выполне
ние критериев подобия при моделировании взрыва зарядов ВВ и поз
воляющая определить параметры проводников, исходя из параметров
зарядов ВВ, свойств вмещающих пород и условий моделирования;раз
работана методика исследования в объемной постановке напряженно
го состояния массива пород при динамическом нагружении с возмож--
ностью определения компонент тензора напряжений, оонованная на
фиксировании смещения меток, установленных внутри объема моделей
из прозрачных материалов; .
разработана методика исследования в объемной постановке напряженно-деформированного состояния массива горных пород при квазпстатическом нагружении с возможностью определения компонент тензора напряжений в любой точке модели^ основанная на аффекте интерферометрии световых лучей при просвечивании моделей ИЗ 0П-' тически чувствительных материалов когерентными источниками света;
установлены зависимости коэффициентов динамической концентрации напряжений на контурах выработок от формы выработок и параметров взрывной нагрузки;
разработана методика измерения в полигонных условиях параметров волн напряжений при взрыве газодинамических источников нагружения массива; установлены закономерности изменения температуры и давления в волне;
установлены зависимости изменения величины нормальных напря-кений на контуре горннх выработок при охране их целиками угля на больших глубинах при изменении'глубины расположения выработке и расстояния до фронта очистных работ;
установлены зависимости величины нормальных напряжений на контуре выработок при изменении параметров разгрузочной лавы и длины разгрузочных скважин;
установлены зависимости величины напряжений па контуре выработок и во вмещающем массиве" при изменении последовательности проведения подготовительных выработок в массиве относительно пласта и при изменении глубины их 'расположения;
установлены зависимости изменения величины касательных напряжений и смещений в охранных целиках, нормальных напряжений'ва контуре вертикальных стволов при изменении размеров охренных целиков и глубины разработки рудных месторождений в крепких поро--Дах;
установлен волновой характер распределения'нормальных деформаций и напряже тій в массиве труднообрушаомой кровли; определены закономерности влияния основных горпо-геологических фшеторов на распределение деформаций и напряжений в кровле;
установлены зависимости величины зоны разупрочнения от напряженного состояшя массива труднообруиаемой кровли; определены вони рационального размещения скважинных зарядов ВВ в массиве пород кровли; разработана методика выбора параметров опережения взрыва зарядов ВВ относительно линии очистного забоя.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
обоснована возможность и разработаю методики исследования статических и динамических задач горного производства"на объемных .моделях, позволяющие фиксировать изменение напряженного состояния в любой точке моделируемого массива;
разработана методика моделирования взрыва зарядов ВВ, основанная на создании динамических нагрузок в моделях путем электровзрыва металлических проводников, разработана конструкция лабораторной динамической установки, позволяющей регистрировать волновые процессы и фиксировать параметры напряженного состояния^ при нагружонии"я~6йе^ни~модолёй" элЖтровзравом1:рм?адников; ''
разработана конструкция стендов для комплексного сгатическо- -го а динамического нагружешя объемных моделей'маосивагорных пород, обеспечивающая' возможность 1гртло"жёния~нагрузок в заданных точках исследуемых моделей н позволяющая моделировать различные
параметры технологий при исследовании процессов горного производства ;
определен комплеко параметров воздействия на горный массив газодинамическими источниками нагружения и обоснована возможность их использования в шахтах, опасных по газу и пилих разработаны технологии расположения в массиве источников газодинамического нагружения, обеспечивающих эффективное разупрочнение угля на крутых пластах;
экспериментально обоснованы способы, направленные на повышение устойчивости горных выработок, и их параметры; эти способы основаны на создании в массиве зон разгрузки за счет проведения выработок с подрывкой почвы пласта и сохранения сплошности кровли, выемки пласта над выработками разгрузочной лавой и изменения последовательности проведения выработок в массиве;
экспериментально обоснована возможность уменьшения охранках целиков вертикальных стволов на рудных месторождениях и разработаны рекомендации по уменьшению расстояния от фронта очвстгаїх работ до ствола при наличии прочных вмещающих пород; ' '
определены зоны рационального расположения скважинных зарядов ВВ для эффективного разупрочнения труднообрушаемой кровли; разработаны рекомендации по выбору расстояния от линии очистного забоя до зарядов ВВ на момент взрыва.
Реализация работы. Разработанные в диссертации способы исследования напряжений и деформаций в моделях массива горных пород при статическом и динамическом нагружения, способы создания динамических нагрузок в моделях путем электровзршза металлических проводников, способа нагрукения по заданным схема1.! объемных моделей, аппаратура и стендовые установки для реализации даншк способов внедрены в практику экспериментальных лабораторных и полигонных исследований; на их основе составлен и утвержден ряд католических положений к указании по применена» методов физического моделирования при исследовании процессов горного производства а инструкций по эксплуатации разработанных установок; "Инструкция по эксплуатации скоростной фоторегиотрирукцей установки при исследовании параметров действия взрыва в .среде с домощьо моделирования", "методические положения по применению методов физического моделирования для определения параметров передового торпедирования при отработке пластов с труднообрушаэьшми кровлями" и др.
Результаты исследований, проведенных методами физического моделирования, использоваші при разработке "Инструкции по выбору способа и параметров разупрочнения кровли на выемочных участках". Рекомендации по выбору параметров буровзрывных работ использованы на шахтах ПО "Краснодонуголь",ПО "Ровояькиаятрацит",ПО "Груз-уголь". Исследования напряженно-деформированного состояния подземных сооружений и вмецавдего массива использованы при разработке технологий по охране горизонтальных и вертикальных выработок на шахтах угольных и рудных месторождений ПО "Торозантрацит", ПО "Павлоградуголь", ПО "Свердловантрацит", ПО "Амурзолото". Разработки по технологии применения газодинамических источников погружения припяты к внедрению на шахтах КНДР. Экономический эффект от знедрешія результатов исследований составляет свыше I млн. руб.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы
были доложены на П Всесоюзном семинаре по горной геофизике (Тби
лиси, 1983), ХШ конференции ИПКОН АН СССР (Москва,1984), ІУ Рес
публиканской конференции "Молодые ученые - научно-техническому
прогрессу в угольпой промышленности" (Донецк, 1984); Ш Всесоюз
ном семинаре по горной геофизике (Батуми, 1985); УШ Республикан
ской научно-технической конференции (Кохтла-Ярве,' 1986); Всесо
юзной научно-технической конференции молодых ученых и специалис
тов "угольной промышленности о "участием стран-членов СЭВ (Москва,
1987);1У Всесоюзном семинаре по горной геофизике (Тбилиси,1987);
ВоесоЕзпой научной школе "Деформирование и разрушение материалов
о дефектами и динамические явления в горных породах и выработ
ках" (Симферополь, 1987); Всесоюзной научно-технической конфе
ренции "Вычислительный эксперимент и его применение в исследова
ниях при разработке' высокопроизводительных и апологически чистых
технологий добычи угля" (Москва, 1989); Всесоюзной научно-техни
ческой конференции "Теория и практика проектирования, строитель
ства и эксплуатация высокопроизводительных подземных выработок".
(Москва, 1990); IX Всесоюзной конференции по механике горных по
род (Бишкек, 1990). ./..-. .;'"
Й2&ШШШШН' Содержание диссертации отрааено в 51 печатной работе, включая 15 авторских свидетельств и патентов на изобретения.
Объем рпботн. Диссертация, состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка использованной литературы из 217 наименований и приложений, изложена на 272 стр. машинописного текста, содер-
жит II таблиц и 92 иллюстрации. Общий,объем работы составляет 403 стр.
Автор выражает глубокую признательность проф.,д.т.н. Г.А.Каткову, д.т.н. С.И.Мультанову эа методическую помощьГ и консультации при выполнении работы.
