Геомеханічне обґрунтування технологічних рішень підвищення ефективності виїмки крутих вугільних пластів, схильних до газодинамічних явищ - Автореферат

Розробка крутих вугільних пластів Центрального району Донбасу в теперішній час ведеться в складних гірничо-геологічних умовах. У звязку з можливими змінами гірничо-геологічних умов у межах виймальних ділянок, блоків і шахтних полів важливо оцінити ступінь впливу різних геомеханічних процесів на якість інженерних рішень щодо вдосконалення розробки крутих пластів на великих глибинах. Дисертаційна робота виконана в рамках держбюджетних тем: «Наукові основи геофізичної діагностики структурно-фазових процесів у природно-техногенних системах, що самоорганізуються, з метою прогнозу їх критичного геомеханічного стану», № держреєстрації РК 01031U004019 і «Механіка гірських порід, техніка та технології безпечного видобутку вугілля високонавантаженими лавами», № держреєстрації 0102U006126. Виконати аналітичні дослідження напружено-деформованого стану вуглепородного масиву та геомеханічних процесів у привибійній частині вугільного пласта. Протяжність зони граничного стану вугільного пласта і величина максимальних напруг у ньому залежать від потужності пласта, ширини виробки, міцностних і пружних властивостей вугілля, а також кута між початковим положенням площини покрівлі і її положенням після зближення з підошвою виробки.У той же час, у звязку з новими задачами та «Програмами-стратегіями розвитку галузі до 2030 р.», підвищення ресурсів відомих і нових технологій вуглевидобутку на крутих пластах ЦРД, геомеханічне обґрунтування безпечної технології їх виїмки набуває особливу актуальність. Рішенню задач про розподіл опорного тиску на вугільний пласт у прямолінійному вибої присвячено значний обсяг робіт, однак істотні кількісні розбіжності та відсутність яскраво вираженого критерію його оцінки не дозволяють розробити рекомендації, спрямовані на прогнозування та усунення викидонебезпечності вугільних пластів, що відробляються. Проблема прогнозу параметрів геомеханічних процесів навколо крайової частини вугільного пласта стає усе більш актуальною зі збільшенням глибини розробки родовищ, коли нерівномірність розподілу гірничого тиску призводить до утворення зони підвищеного опорного тиску, просторові контури та розміри якої визначаються фактичними умовами відробки пласта і консольним защемленням його крайової частини. У результаті чисельного інтегрування отримані варіації функції опорного тиску в прямолінійному очисному вибої та показано, що величина зони опорного тиску залежить як від співвідношення фізико-механічних характеристик покрівлі і вугільного пласта, так і від величини зони розвантаженого масиву. Дослідження поведінки функцій опорного тиску для одного і того ж пласта, що відробляється, при різних варіантах способу керування гірським тиском дозволяють обґрунтувати наявність кількох максимумів опорного тиску поперед очисного вибою та показати наявність зони «розвантаження», обумовленої защемленням кромки вугільного пласта, підхід до якої на критичну відстань викликає різного роду газодинамічні явища.Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій дане рішення актуальної науково-технічної задачі, що має важливе народногосподарське значення і полягає в розробці комплексного геомеханічного обґрунтування параметрів нових технологічних рішень щодо підвищення безпеки та ефективності виїмки крутих вугільних пластів, небезпечних за газодинамічними явищами, без попереднього здійснення профілактичних заходів. Вперше отримані варіації функції опорного тиску в прямолінійному очисному вибої і показано, що розміри зони опорного тиску залежать як від співвідношення фізико-механічних характеристик покрівлі та вугільного пласта, так і від величини зони розвантаженого масиву. Встановлено, що протяжність зони граничного стану вугільного пласта і величина максимальних напруг у ньому залежать від потужності пласта, ширини виробки, міцностних і пружних властивостей порід, які містять вугілля, а також кута між початковим положенням площини покрівлі і її положенням після зближення з підошвою виробки. При більш міцних породах, що містять вугілля, величина максимальних напруг у вугільному пласті нижча, ніж для менш міцних порід. Неоднорідність поля напруг у вугільному пласті обумовлена наявністю градієнта фізико-механічних властивостей порід, що містять вугілля.

Основний зміст роботи

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій дане рішення актуальної науково-технічної задачі, що має важливе народногосподарське значення і полягає в розробці комплексного геомеханічного обґрунтування параметрів нових технологічних рішень щодо підвищення безпеки та ефективності виїмки крутих вугільних пластів, небезпечних за газодинамічними явищами, без попереднього здійснення профілактичних заходів.

Основні результати роботи зводяться до наступного: 1. Вперше отримані варіації функції опорного тиску в прямолінійному очисному вибої і показано, що розміри зони опорного тиску залежать як від співвідношення фізико-механічних характеристик покрівлі та вугільного пласта, так і від величини зони розвантаженого масиву. При цьому величина концентрації напруг істотно залежить від співвідношення протяжності виробленого простору і зони опорного тиску.

2. Встановлено, що протяжність зони граничного стану вугільного пласта і величина максимальних напруг у ньому залежать від потужності пласта, ширини виробки, міцностних і пружних властивостей порід, які містять вугілля, а також кута між початковим положенням площини покрівлі і її положенням після зближення з підошвою виробки. При більш міцних породах, що містять вугілля, величина максимальних напруг у вугільному пласті нижча, ніж для менш міцних порід. Неоднорідність поля напруг у вугільному пласті обумовлена наявністю градієнта фізико-механічних властивостей порід, що містять вугілля.

3. Встановлено, що найнебезпечнішими ділянками лави за швидкістю зближення бічних порід та можливістю небезпечних наслідків ведення очисних робіт є середні частини лави і, особливо, сполучення її комбайнової частини з верхнім уступом, у яких коефіцієнт динамічності складає 80-90. Доведено, що, встановлюючи безпосередньо у вибої лави жорстке кріплення з високою несучою здатністю, можна в значній мірі зменшити швидкість зближення порід і її вплив на крайову частину вугільного масиву.

4. Розроблено і впроваджено методику комплексної оцінки ефективності технології та засобів механізованої виїмки тонких крутих пластів Донбасу, що враховує економічність технологічних процесів.

5. Встановлено, що зі збільшенням швидкості посування очисного вибою помітно зростають напруги в опорній зоні і відбувається значне переміщення максимуму навантажень до крайової частини вугільного пласта. Причому параметри опорної зони залежать від довжини лави, швидкості її посування, а також наявності або відсутності розвантаження (підробки та надробки).

6. Розроблено основи гнучкої технології відробки вугільних викидонебезпечних пластів у щитових вибоях, яка базується на принципах примусової циклічної (з тимчасовим простоєм вибою, що фіксується) виїмки вузьких смуг 0,21 м у проектній ширині захвату конвейєроструга, рівній 0,63 м. Нова технологія реалізується автоматично за рахунок вбудованих у систему гідроприводу гідромеханічних клапанів, що обмежують хід гідродомкратів подачі конвейєроструга у вибої.

7. Розроблено Галузевий стандарт України «Технологічні схеми розробки викидонебезпечних пластів із застосуванням сейсмоакустичного моніторингу гірського масиву», який введено в дію за встановленим порядком.

Основні положення і результати дисертації опубліковано в наступних роботах

1. Чибисова М.Т., Гребенкина А.С. Некоторые методы решения вариационных задач линейной теории упругости // Научно-прикладные проблемы разработки крутых и крутонаклонных угольных пластов Донбасса. - Донецк: Регион, 1999. - С. 277-280.

2. Гребенкина А.С, Рожок И.Н., Шипунова И.В. Основы механики горных пород // Проведение и эксплуатация горизонтальных горных выработок на шахтах с крутым и наклонным залеганием угольных пластов. - Донецк: Регион, 2001. - С. 9-84.

3. Аналитическая оценка напряженного состояния угольного массива в призабойной зоне угольного пласта /С.С. Гребенкин, В.И. Пилюгин, А.С. Гребенкина, С.Г. Жулидов // Изв. Донецкого горного ин-та. - 2002. - №2. - С. 74-77.

4. Особенности механизма перераспределения нагрузки в дискретной распорной среде /Г.И. Соловьев, С.Г. Негрей, В.Е. Нефедов, А.С. Гребенкина // Изв. Донецкого горного ин-та. - 2003. - №2. - С. 47-55.

5. Геомеханические основы безопасной отработки угольных месторождений /С.Е. Топчий, Н.Н. Шлюпкин, А.С. Гребенкина, А.В. Костенко // Эколого-технологические проблемы безопасной отработки угольных месторождений. - Донецк: ДОННТУ, 2004. - С. 90-125.

6. Стариков Г.П., Гребенкина А.С. Влияние скорости разгрузки угольного массива на изменения в трещиноватопористой структуре угля // Изв. Донецкого горного ин-та. - 2004. - №1. - С. 18-21.

7. Кучер В.И., Гребенкина А.С. Комплексная оценка технологии и средств механизированной выемки тонких крутых пластов Донбасса // Науковий вісник НГУ. - 2004. - №10. - С. 33-38.

8. Паламарчук Т.А., Керкез С.Д., Гребенкина А.С. Проявление горного давления в очистных забоях, оборудованных механизированными крепями, при разработке крутых пластов // Геотехническая механика. - Днепропетровск: ИГТМ НАНУ. - 2004. - №49. - С. 93-98.

9. Аналитические исследования зависимостей силовых параметров рабочих органов комбайнов от механических характеристик разрушаемого массива угля /С.С. Гребенкин, В.В. Шумриков, В.И. Каменец, А.С. Гребенкина // Науковий вісник НГУ. - 2005. - №2. - С. 6-11.

10. Пивень Ю.А., Гребенкина А.С. Исследование изменения геомеханического состояния углепородного массива приведении очистных работна больших глубинах // Науковий вісник НГУ. - 2005. - №12. - С. 35-37.

11. Пивень Ю.А., Гребенкина А.С. Совершенствование системы управления щитовыми агрегатами при гибкой технологии выемки угля на крутых пластах // Гірнича електромеханіка та автоматика. - 2005. - Вип. 75. - С. 176-179.

Размещено на .ru