Введение к работе
Актуальность проблемы устойчивости выработок. Эффективность подземной разработки угольных месторождений связана с ключевыми вопросами обеспечения устойчивости горных выработок. Нарушение естественного состояния горного массива сопровождается перераспределением концентрации механических напряжений в окрестности выработок и приводит к деформации их породных контуров и элементов крепи. Дополнительные трудозатраты по восстановлению и поддержанию подготовительных выработок на 1000 т подземной добычи угля в настоящее время превышают 70 чел.-смен. Ситуация становится еще сложнее при очистных работах с обрушением пород в выработанное пространство. Концентрация механических напряжений вокруг очистных выработок іімеет региональный характер вследствие прогиба слоев пород кровли и формирования зон сдвижения вплоть до земной поверхности. Ликвидация последствий их влияния на состояние последней сопряжена с рекультивацией земель из расчета 7—7,5 га на 1 млн. т подземной добычи. Таким образом, неоплаченный экономический ущерб окружающей среде в результате ведения горных работ за последние годы составляет огромные суммы.
Обоснование условий устойчивости выработок обычно реализуют на базе оценок максимальных главных и (минимальных действующих напряжений с учетом трещиноватости миллиметрового диапазона при переходе от образцов имитирующих материалов к натурным образцам и далее — к массивам горных пород. Работы Хоука, Брауна, Бенявски (США) являются тому подтверждением.
Подобную направленность обоснования условий устойчивости выработок носят отечественные разработки с учетом трещиноватости, разъединяющей массив на пластины, блоки и плиты. По этим доводам уместно напомнить, что раскрывшаяся трещина не соизмерима с трещиной в ее" вершине, а концентрация механических напряжений в вершине трещин не единственный фактор устойчивости (неустойчивости) выработок. Первопричиной концентрации механических напря-
жешгіі в подработанном массиве являются линейные и точечные дефекты, невидимые невооруженным глазом, но играющие важную роль в разрушительной деятельности горных пород и массивов. Вместе с тем учет такой нарушенное, как правило, носит номенклатурный характер и сопровождается такими понятиями, как «субструктура», «квазисостояние», «псевдопластичность» и т. д. По причине «бесструктурного» в большинстве подхода до сих пор не раскрыт количественно «верный ящик» секретности расхождения теоретической и экспериментальной прочностей горных пород, имеющих важнее значение для оценки условий устойчивости выработок.
В этой связи можно утверждать об актуальности влияния прочностных и структурных характеристик вмещающих пород с дефектами —концентраторами механических напряжений на устойчивость выработок, позволяющей сформулировать цель диссертационной работы.
Целью диссертации является установление взаимосвязей прочностных и структурных характеристик вмещающих пород для обоснования условий устойчивости горных выработок и параметров технологий отработки запасов угольных пластов, обеспечивающих эффективное и стабильное функционирование шахт.
Идея работы состоит в учете характера структурных изменений горных пород под воздействием разрушающих нагрузок при оценке условий устойчивости выработок и параметров технологий угледобычи на геомеханичесхой основе.
Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий аналитические методы исследования с привлечением аппарата физики твердого тела, теории эффективной массы, рационального планирования эксперимента, математического (численного) моделирования, экспериментальные методы лабораторного структурного анализа горных пород, методы физико-механических испытаний горных пород с обработкой результатов методами математической статистики, методы гидровоздействия на окрестность х-ыработок углепородного массива в натурных условиях через скважины с дневной поверхности, метод скважинных зарядов ВВ, инъекции вяжущих растворов в массив неустойчивых зон; наблюдения и методы прямого счета при оценках результатов опытных работ.
Оснсспые научные положения, представленные к защите.
-
Обобщенной информативной (прямой) характеристикой, определяющей состояние горных пород, является структура в форме коэффициента нарушения сплошности.
-
Коэффициент нарушения сплошности структуры горных пород имеет обратную пропорциональную взаимосвязь с
внешними разрушающими нагрузками при концентрации механических напряжений вокруг дефектов.
-
Формирование зон концентрации в объеме горной пог роды как прочного твердого тела приводит к расщеплению ее на тонкие пластинки, утолщенные пакеты, куски и блоки минерального вещества по правилу двойниковання в направлении распространения внешних воздействий, что показывает на существование в теле структурной модели сдвоенных в пакеты пластин.
-
Качественные и количественные характеристики взаимосвязей нагрузок и структур разрушения горных пород коррелируют с геометрическими элементами сдвига и отрыва, являющихся в своем отношении показателями снижения прочности пород, а также устойчивости горных выработок.
-
Потеря устойчивости выработок в подработанном вмещающем массиве происходит в результате разрушения его на геометрические элементы не за счет разновидностей механических воздействий при сжатии, раскалывании или растяжении, а путем сосредоточения дефектов и концентрации напряжений в подработанной зоне.
-
Учет геометрических элементов подработанного массива н механических напряжений в кровле выработок позволяет оценить масштабы влияния активных зон в пределах об-рушаемой толщи, а установление связи структурных изменений с'модулем упругости пород — расширить пределы зондирования массива акустическим способом.
-
Определение состояния фрагментации (дезинтеграции) массивов горных пород в кровле выработок и за ее пределами позволяет оценивать мощность обрушаемой кровли в зависимости от изменяющихся полупролетов выработок, реализовать способ опережающего упрочнения подрабатываемого участка н обосновать параметры технологии угледобычи модульного типа.
-
Обоснование условий устойчивости выработок и параметров технологических схем отработки запасов крутых угольных пластов упрочненными блоками (за счет искусственных породных целиков на месте разрезных восстающих выработок в угле и инъекций вяжущих растворов в массив горных пород висячего бока) позволяет осуществить выемку ч доставку угля в пределах блока без постоянного присутствия людей, обрушения пород в выработанное пространство, применения перекрытий рабочего пространства и выдачи породы на поверхность.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждены:
теоретическими предпосылками снижения прочности реальных тел за счет различного рода дефектов и выявлением их в структуре разрушения;
совпадением модельных представлений о строении твердых тел из тонких пластинок с результатами экспериментальных исследований строения их прямыми методами исследования в оптических и электронных микроскопах в сочетании с контролируемым разрушением образцов в лабораторных условиях;
общностью результатов лабораторных и натурных исследований по увлажнению и разрушению горных пород (угля), реализующихся в медленном (за 972—976 суток) расслоении их на блоки, пакеты, пластины с релаксацией механических напряжений, потерей прочности образцов и устойчивости массива;
обеспечением условий устойчивости выработки при реализации способа опережающего упрочнения неустойчивых зон
Научное значение диссертации заключается в:
-
Разработке структурной модели горной породы с дефектами, состоящей из тонких пластинок атомного порядка, объединенных в пакеты, блоки, пластины твердого тела, описываемой уравнением состояния, позволяющим интерпретировать запредельный механизм разрушения и определять условия устойчивости кровли, реакцию крепи на воздействия подработанного массива и на этой основе сформировать технологическую схему угледобычи модульного типа;
-
Разработке методологии обоснования условий устойчивости горных выработок и параметров технологии угледобычи на базе объективного учета прочностных и структурных характеристик вмещающих пород;
-
Установлении связи асж—сграск—ffp лри разрушении образцов с интерпретацией результатов по структуре;
-
Выводе уравнения состояния твердого тела, объединяющем упругие, прочностные, структурные характеристики горных пород с дефектами различного рода, обеспечивающего оценки критериев, механизма их разрушения и условий устойчивости выработок.
Практическая ценность диссертации состоит в:
-
Разработке и обосновании параметров технологической схемы, обеспечивающей эффективное использование подработанного угля вмещающего массива и расширение номенклатуры продукции горного производства, конкурентоспособного в рыночных условиях;
-
Разработке технологической схемы угледобычи модульного типа с высокой концентрацией очистных работ в различных горно-геологических условиях залегания угольных пластов без существенных проседаний земной поверхности;
-
Разработке устройства опережающего упрочнения массива неустойчивых зон горных пород (патент РФ на изобретение МКИ Е02Д, 3/12 с -приоритетом от 30.06.93 г.).
Научная новизна работы заключается в получении уравнения состояния твердого типа с дефектами, позволяющего оценить критерии разрушения горных пород и условия устойчивости (неустойчивости) горных выработок, за этот счет сформировать упрочненные блоки технологии угледобычи, обеспечивающие концентрацию горных работ в различных горно-геологических и горнотехнических условиях залегания угольных пластов без проседаний дневной поверхности.
Реализация выводов и рекомендаций, сформулированных в работе. Взаимосвязи прочностных и структурных характеристик горных пород реализованы при разработке технологий подземной добычи угля с использованием энергии горного массива и направленного изменения его свойств, одобренных ОАО «Росуголь» и рекомендованных АО УК «Кузнецк-уголь» к реальному проектированию.
Методика и программа работ по созданию технических средств скважинно-щелевого способа подготовки и отработки угольных пластов по технологии «Углегаз» утверждены ПО «Тулауголь».
Устройство опережающего упрочнения массива горных пород испытано на шахтах ПО «Тулауголь» и внедрено по форме Р-10 с фактическим экономическим эффектом 138 тыс. руб. (в ценах 1988 г.) с последующей гарантией патентом РФ МКИ Е02Д, 3/12 от 30.06.93 г.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на:
Конференции по физике горных пород и процессов (Москва, 1967);
I Московской городской научно-технической конференции
молодых ученых и специалистов угольной промышленности
(Люберцы, 1970);
VIII Всесоюзной конференция по электронной микроскопии (Москва, 1971);
VII Всесоюзной научной конференции вузов СССР с участием научно-исследовательских институтов (Москва, 1981);
Всесоюзной научной конференции вузов СССР с участием научно-исследовательских институтов (Москва, 1982);
Заседании технико-экономического совета производственного объединения по добыче угля «Тулауголь» (Тула, 1982);
II 'Конференции «Экологические проблемы горного произ
водства, переработка и размещение отходов» (Москва, 1995);
Симпозиуме «Современное горное дело: образование, наука, промышленность» (Москва, 1996);
ВДНХ СССР. Главный комитет Выставки достижений народного хозяйства СССР. Свидетельство № 33372 (Москва, 1985);
Семинаре но проблемам технологии «Подземгаз» и технологии «Углегаз» — «Состояние работ по созданию комплекса технических средств скважшшо-щелевого способа для подготовки и отработки угольных пластов на участках технологии «Углегаз» (Люберцы, 1987);
Научных семинарах кафедры «Технология, механизация и организация подземной разработки угля» МГГУ (Москва, 1991 — 199G ).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 38 статей, оформлено 2 патента РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения, содержит 343 страницы, включая 42 рисунка, 47 таблиц, список литературы из 112 наименований и приложение.
Автор выражает искреннюю благодарность проф., д. т. и. Протасову Ю. Н., за ценные методические рекомендации, а также коллективам кафедр ТПУ, ФГПиП, ФТКП, РГПВ МГГУ за практическую помощь при выполнении экспериментальных исследований.
