Введение к работе
Актуальность проблемы. При подземной разработке угольных месторождений проблема устойчивости подготовительных выработок на глубоких горизонтах (свыше 700...800 м) находится среди ключевых проблем обеспечения безопасной и эффективной работы шахт. Это связано с изменением характера и механизма проявлений горного давления, которое наблюдается с увеличением глубины разработки и ухудшением горно-геологических условий залегания пластов, что приводит к незатухающим и неравномерным смещениям вмещающих выработки горных пород. Для восстановления проектного сечения выработок необходимы их ремонт и перекрепление. Эти работы повышенной опасности приходится выполнять вручную из-за сложности их механизации. Например, по Донбассу средняя трудоемкость поддержания выработок на 1000 т добываемого угля за последние 10 лет возросла в 1,6 раза и превысила 70 чел.-смен.
Выполненные в СНГ и за рубежом научно-исследовательские и опытно-промышленные работы по решению вопросов безремонтного поддержания подготовительных выработок показали возможность обеспечения устойчивости их путем совершенствования конструкций крепей, способов проведения, охраны и расположения выработок относительно границ очистных работ. Однако следует отметить, что имеющиеся разработки и рекомендации не всегда обеспечивают правильный выбор мероприятий и принятие обоснованных проектных решений, которые даже при полной их реализации в шахтных условиях не дают должных результатов прежде всего из-за несоответствия используемых в них закономерностей проявлений горного давления реальным геомеханическим процессам.
Таким образом, проблема обеспечения устойчивости интенсивно деформирующихся подготовительных выработок глубоких шахт объективно может быть признана актуальной.
Цель работы — формирование теоретической базы научного обоснования технологических решений по повышению устойчивости интенсивно деформирующихся подготовительных
выработок глубоких шахт, обеспечивающих эффективную и безопасную разработку пологих угольных пластов.
Идея работы заключается в использовании для обоснования мер профилактики и локализации вредных проявлений горного давления установленных закономерностей дезинтеграции массива горных пород вокруг подготовительных выработок.
Методы исследований. В работе использован комплексный метод, включающий анализ и обобщение данных литературных источников по исследованиям проявлений горного давления в подготовительных выработках на больших глубинах, шахтные инструментальные исследования процессов деформирования и сдвижения горных пород с помощью контурных и глубинных реперов, лабораторные испытания физико-механических свойств горных пород, опытно-промышленные испытания предложенных способов профилактики вредных проявлений горного давления, а также аналитический и аналитико-экспериментальный методы, методы теории вероятностей" и математической статистики.
Основные научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:
-
Интенсивное деформирование подготовительных выработок с неравномерными по контуру сдвижениями пород со стороны кровли, стенок и почвы объясняется происходящим в горном массиве изменением местоположения чередующихся зон дополнительного расширения н сжатия пород, названным флуктуациямп зональной дезинтеграции вмещающих пород. Физическая природа флуктуации состоит в возникновении и движении автоволн разрушений пород как па границе области неупругих деформаций, так и внутри неразрушенных слоев и блоков, расположенных вблизи контура выработок. Процесс автоволнового разрушения пород заключается в периодическом сращивании тупиковых трещин, находящихся в равновесии, под воздействием зон влияния прорастающих трещин.
-
Особенности механизма формирования зон разрушения пород вокруг выработок на глубоких горизонтах выражаются в первоначальном появлении крупных трещин, пересекающих практически всю область влияния выработки на массив и разделяющих эту область на отдельные слои пород в кровле и почве и крупные блоки в стенках выработки.
Распространение крупных трещин влечет за собой изменение первоначальной картины напряжений и закладывает основу для возникновения флуктуации — периодического изменения местоположения чередующихся зон дополнительного расширения и сжатия пород.
3. Учет постоянного взаимодействия внутренней системы
крепь — окружающие породы и внешней породы внутри свода
сдвижений — окружающий массив базируется на положении о том, что наряду с динамикой вертикальной составляющей опорного давлення существует динамика горизонтальной составляющей давления, в которой выделяются периодические и циклические изменения всех параметров (характера распределения, интенсивности, экстремумов размеров зон влияния, места расположения максимума горизонтального сжатия пород).
4. Предложенные аналитико-экспериментальная модель и
методика прогнозирования устойчивости интенсивно дефор
мируемых выработок позволяют:
оценить уровень устойчивости любой подготовительной выработки действующей шахты;
выявить необходимость и определить оптимальный период времени применения технологических мероприятий по повышению устойчивости подготовительных выработок;
выбрать вид технически осуществимого, экономически выгодного и технологически приемлемого профилактического мероприятия.
5. Технические и планировочные решения могут быть све
дены в 5 групп, для каждой из которых объединяющим яв
ляется конкретное толкование геомеханических процессов в
пределах внутренней системы и ее взаимодействия с внеш
ней. Решения отличаются универсальностью применения
адаптивных профилактических мероприятий для повышения
устойчивости подготовительных выработок.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
достаточным объемом и комплексностью экспериментальных исследований в типовых условиях глубоких шахт смещений контура подготовительных выработок, деформаций пород в приконтурной зоне массива; обоснованным числом лабораторных испытаний образцов пород, конструкций крепей;
физическим обоснованием аналитико-экспериментальных 'зависимостей, расчетных схем, использованием строгого математического аппарата аналитических методов, теории вероятностей, математической статистики, теории структур, устойчивости и флуктуации;
положительными результатами опытного и промышленного внедрения технологических мероприятий по повышению устойчивости интенсивно деформирующихся выработок на шахтах ПО «Макеевуголь», «Добропольеуголь», «Шахтерск-уголь».
Научное значение работы заключается в формировании теоретической базы для обоснования способов, технических и планировочных решений профилактики вредных проявлений горного давления и повышения устойчивости интенсивно де-
формирующихся подготовительных выработок глубоких шахт, отрабатывающих запасы пологих угольных пластов. Практическое значение работы заключается:
в разработке способов и адаптивных технологий повышения устойчивости интенсивно деформируемых подготовительных выработок;
в проверке и внедрении разработанных способов и технологий на шахтах Донбасса.
Новизна способов охраны подготовительных выработок защищена 24 авторскими свидетельствами на изобретения.
Реализация выводов и рекомендаций работы осуществляется при выборе и обосновании параметров профилактических мероприятий по предотвращению вредных проявлений горного давления в подготовительных выработках как вне зон, так и в зонах влияния очистных работ.
Рекомендации по повышению устойчивости интенсивно деформируемых выработок, содержащие способы по авторским свидетельствам № 887812, 1008459, 1182172, 1239458, прошли опытно-промышленную проверку и внедрены на шахтах «Красногвардейская», «Чайкино», им. К. И. Поченкова, им. А. Б. Батова, им. В. М. Бажанова ПО «Макеевуголь», шахте «Белозерская» ПО «Добропольеуголь».
Суммарный фактический экономический эффект от использования на 6 шахтах 4 изобретений в течение 10 лет (1981 — 1990 гг.) равен 1230 тыс. руб., при этом доля автора составляет свыше 0,5 млн. руб.
Результаты исследований использованы в отраслевых нормативных документах, а также при принятии проектных решений по шахте им. Челюскинцев ПО «Донецкуголь», по шахтоуправлению им. 1 Мая ПО «Шахтерскуголь».
Апробация работы
Основные положения диссертации были включены в виде докладов, обсуждались и получили одобрение на VII Всесоюзной научной конференции по комплексным исследованиям физических свойств пород и процессов (Москва, 1981); II Всесоюзной научной конференции по проблемам механики подземных сооружений (Тула, 1982); на Всесоюзных семинарах по исследованию горного давления и охране капитальных и подготовительных выработок (Якутск, 1982; Кемерово, 1986); на Всесоюзном научно-техническом совещании «Пути улучшения состояния горных выработок» (Донецк, 1989); на технических советах ПО «Макеевуголь» (Макеевка, 1985); ПО «Добропольеуголь» (Доброполье, 1987); научном семинаре кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых»' Донецкого политехнического института (Донецк, 1987, 1990); на Международном конгрессе по горному делу в Австралии (Воллонгонг, 1991); на научном семинаре от-
дела физики горных пород Донецкого физико-технического института Академии наук Украины (Донецк, 1992).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 50 научных работах, в том числе 24 авторских свидетельствах на изобретения.
. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, содержит 52 рисунка, 18 таблиц, список литературы из ПО наименовании и 6 приложений. Она изложена на 352 страницах машинописного текста.
Автор выражает глубокую благодарность чл.-кор. ИАН, проф., докт. техн. наук М. П. Зборщику за руководство при выполнении научно-исследовательских работ, а также чл.-кор. АГН, проф., докт. техн. наук А. Д. Алексееву за консультативную помощь и советы при написании и теоретическом осмыслении материалов диссертации, сотрудникам ДПИ и инженерно-техническим работникам объединений и шахт за оказанную помощь в проведении шахтных наблюдений и внедрении результатов работы.
