Геомеханічне забезпечення стійкості сполучень вертикальних стволів на глибоких горизонтах - Автореферат

Зі збільшенням глибини якісно змінилися умови охорони стволів і їх сполучень, характер взаємодії кріплення з бічними породами, які у багатьох випадках переходять в граничний стан. Метою досліджень є визначення залежності стану сполучень стволів від факторів, що впливають, закономірностей деформування масиву гірських порід і розробка на цій основі пропозицій щодо способів забезпечення стійкості сполучень глибоких горизонтів. Ідея роботи полягає у використанні закономірностей формування напружено-деформованого стану породного масиву і розвитку геомеханічних процесів у районах сполучень стволів для забезпечення їх стійкості. При виконанні дисертаційної роботи були застосовані комплексні дослідження, які включали: обстеження стану сполучень стволів глибоких горизонтів; аналіз і узагальнення результатів досліджень методом математичної статистики; проведення інструментальних досліджень на спостережних станціях, закладених в районах сполучень стволів. Вперше встановлені особливості і закономірності деформування масиву гірських порід в районах сполучень стволів на глибоких горизонтах за складних геомеханічних умов, а саме: - розміри динамічних зон впливу, що утворюються при проведенні і перекріплюванні приствольних виробок в районах сполучень стволів глибоких горизонтів в умовах нестійких порід;У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задача досліджень, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, наведені дані про структуру роботи, апробацію та рекомендації з використанням розробок.Проте зі збільшенням глибини розташування сполучень стволів з виробками якісно змінилися умови їх охорони та підтримання. Породи, що вміщують сполучення, з невисокими міцнісними властивостями (Rc = 20…50 МПА), переходять в граничний стан, змінюється характер їх взаємодії з кріпленням. Це стосується розробки комплексу заходів охорони і підтримання сполучень, який включає: раціональний вибір місця розташування ствола і його сполучень при проектуванні; заходи щодо керування НДС приствольного масиву гірських порід в районі сполучень; раціональний вибір параметрів кріплення і конструктивних заходів захисту сполучень; регламент проведення і перекріплювання приствольних виробок (зокрема ствола і його розсічок під сполучення), що зводить до мінімуму їх взаємовплив. За виконаним якісним аналізом причин їх виникнення були зроблені висновки, що основними причинами пошкоджень кріплення й армування є складні гірничо-геологічні умови розташування сполучень (нестійкі породи), а також вплив очисних і приствольних виробок, що проводяться в цей період в районі запобіжного приствольного цілика. Аналіз різних варіантів регресійних співвідношень, що відповідають фізичному значенню задачі, дозволив встановити загальний вид залежності, котра найкращим чином описує взаємозвязки, яка має вигляд: , (1) де Y - результативна ознака (оцінка стану сполучення); аі - параметри рівняння регресії; ?H/Rcp - геомеханічний показник напруженого стану масиву гірських порід; ? - обємна вага порід (0,025 МН/м 3); H - глибина;Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій на основі вперше встановлених закономірностей деформування масиву гірських порід, що вміщує сполучення стволів, і розробки на цій основі пропозицій щодо способів охорони та підтримання вирішена актуальна науково-технічна задача геомеханічного забезпечення тривалої стійкості сполучень глибоких горизонтів. Вперше одержані кількісні оцінки станів сполучень за зонами та видами кріплення, що визначаються експоненціально-показниковою залежністю від таких комплексних факторів: геомеханічного показника (?H/Rcp); ступеня впливу очисних виробок; ступеня порізаності масиву приствольними виробками і структурного показника складу вміщуючих порід. Дослідженнями встановлено, що найбільш значимими в одержаних залежностях є показники: геомеханічний і впливу очисних робіт, з яких перший характеризує природний НДС породного масиву; другий показник відображає додаткове підвищення напружень внаслідок впливу очисних виробок, які оконтурюють запобіжні цілики. Розроблена структурно-логічна схема застосування способів і засобів охорони і підтримання сполучень стволів на глибоких горизонтах, яка включає: вибір місця розташування сполучення при проектуванні з урахуванням оцінки його стану і зіставлення з допустимою; у разі перевищення розрахункової оцінки над допустимою - застосування заходів щодо забезпечення стійкості сполучень. Розроблені автором організаційно-технічні заходи щодо забезпечення стійкості сполучень, які включають: вибір розташування виробок, що зводить до мінімуму їх взаємовплив; регламент проведення і кріплення виробок в часі і просторі в районах сполучень стволів; попереднє використання тимчасового кріплення у виробках за складних геомеханічних умов; визначення раціональної величини розсічок сполучень ствола, виконаних при його проходженні, регламент збійок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій на основі вперше встановлених закономірностей деформування масиву гірських порід, що вміщує сполучення стволів, і розробки на цій основі пропозицій щодо способів охорони та підтримання вирішена актуальна науково-технічна задача геомеханічного забезпечення тривалої стійкості сполучень глибоких горизонтів.

Основні наукові і практичні результати роботи полягають в такому.

1. Вперше одержані кількісні оцінки станів сполучень за зонами та видами кріплення, що визначаються експоненціально-показниковою залежністю від таких комплексних факторів: геомеханічного показника (?H/Rcp); ступеня впливу очисних виробок; ступеня порізаності масиву приствольними виробками і структурного показника складу вміщуючих порід. Достовірність їх підтверджується представницьким обсягом експериментальних даних, що включають результати обстеження понад 500 зон сполучень стволів, а також високими кореляційними відношеннями (0,6-0,9) в одержаних рівняннях.

2. Дослідженнями встановлено, що найбільш значимими в одержаних залежностях є показники: геомеханічний і впливу очисних робіт, з яких перший характеризує природний НДС породного масиву; другий показник відображає додаткове підвищення напружень внаслідок впливу очисних виробок, які оконтурюють запобіжні цілики. Вплив ступеня порізаності масиву і структурного показника складу вміщуючих порід залежить від типу кріплення та геомеханічної обстановки.

3. Вперше встановлено, що при проведенні виробок в районах сполучень глибоких горизонтів за умов нестійких порід утворюються динамічні зони впливу розміром по вертикалі до 40 м, що в 1,5…2 рази більше за стаціонарні. Після збійки виробки зі стволом процес деформування приствольного масиву триває протягом двох - трьох місяців, при цьому перші два тижні продовжується активна стадія.

4. Встановлено, що в районі сполучення за складних геомеханічних умов зміщення кріплення по вертикалі носять нерівномірний і знакозмінний характер і між отворами в 2…5 разів більші в порівнянні з протяжною частиною.

5. Розроблена структурно-логічна схема застосування способів і засобів охорони і підтримання сполучень стволів на глибоких горизонтах, яка включає: вибір місця розташування сполучення при проектуванні з урахуванням оцінки його стану і зіставлення з допустимою; у разі перевищення розрахункової оцінки над допустимою - застосування заходів щодо забезпечення стійкості сполучень.

6. Розроблені автором організаційно-технічні заходи щодо забезпечення стійкості сполучень, які включають: вибір розташування виробок, що зводить до мінімуму їх взаємовплив; регламент проведення і кріплення виробок в часі і просторі в районах сполучень стволів; попереднє використання тимчасового кріплення у виробках за складних геомеханічних умов; визначення раціональної величини розсічок сполучень ствола, виконаних при його проходженні, регламент збійок.

7. Результати проведених досліджень використані при розробці трьох нормативно-методичних документів, а також понад 50 рекомендацій із забезпечення стійкості сполучень стволів, виконаних на замовлення підприємств вугільної промисловості. Економічний ефект від впровадження результатів роботи складає близько 500 тис. грн. для одного сполучення ствола.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Колдунов И.А. Выемка предохранительного целика под действующим вертикальным стволом / И.А. Южанин, С.Б. Кулибаба, С.В. Голдин, И.А. Колдунов // Уголь Украины. - 1991. - № 8. - С. 28-31.

2. Колдунов И.А. Оценка устойчивости стволов, используемых под погружные насосы / В.А. Дрибан, И.А. Колдунов // Уголь Украины. - 2005. - № 7. - С. 40-42.

3. Колдунов И.А. К вопросу обеспечения устойчивости сопряжений шахтных стволов / И.А. Колдунов // Наукові праці УКРНДМІ НАН України: зб. наук. пр. - Донецьк, 2007. - № 1. - С. 201-215.

4. Колдунов И.А. Оценка устойчивости сопряжений глубоких вертикальных стволов / В.А. Дрибан, И.А. Южанин, И.А. Колдунов // Уголь Украины. - 2008. - № 1. - С. 8-11.

5. Колдунов И.А. Оценка параметров деформирования околоствольного массива при проведении сопрягающихся выработок / В.А. Дрибан, И.А. Колдунов, С.А. Побойный // Уголь Украины. - 2008. - № 11. - С. 10-12.

6. Колдунов І.О. Експериментальні дослідження динаміки деформування приствольного масиву при збійці виробок зі стволом / І.О. Колдунов // Наукові праці УКРНДМІ НАН України: зб. наук. пр. - Донецьк, 2009. - № 4. - С. 16-24.

7. Колдунов И.А. Натурные исследования деформирования горного массива в районе сопряжения глубокого вертикального шахтного ствола / В.А. Дрибан, И.А. Колдунов // Наукові праці УКРНДМІ НАН України: зб. наук. пр. - Донецьк, 2009. - № 5. - С. 46-60.

8. Пат. 11236 Україна, 7Е 21F17/00, Е 21D5/00. Спосіб захисту вертикальних шахтових стовбурів, використовуваних під заглибні насоси / В.О. Дрибан, І.О. Колдунов; заявник і патентоволодар Український державний науково-дослідний і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України. - № U 200505760; заявл. 13.06.05; опубл. 15.12.05, Бюл. № 12.

9. Пат. 30689 Україна, МПК (2006) Е 21D1/00, Е 21D5/00. Спосіб захисту сполучень вертикальних шахтних стволів з приствольними виробками / І.О. Колдунов, І.А. Южанін; заявник і патентоволодар Український державний науково-дослідний і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України. - № U 20011722; заявл. 23.10.07; опубл. 11.03.08, Бюл. № 5.

10. Пат. 46542 Україна, МПК (2009) Е 21D 1/00, Е 21D 5/00. Спосіб підвищення стійкості сполучень вертикальних шахтних стволів / В.О. Дрібан, І.О. Колдунов; заявник і патентоволодар Український державний науково-дослідний і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України. - № U 200907238; заявл. 10.07.09; опубл. 25.12.09, Бюл. № 24.

11. Колдунов И.А. Прогноз состояния крепи сопряжений вертикальных шахтных стволов / И.А. Колдунов // Матеріали міжнародної конференції "Форум гірників - 2007", 11-13 жовтня 2007 р.- Дніпропетровськ: НГУ, 2007. - С. 188-193.

12. Колдунов И.А. Особенности деформирования околоствольного массива пород при проведении сопрягающихся выработок / В.А. Дрибан, И.А. Колдунов // Матеріали міжнародної конференції "Форум гірників - 2008", 13-15 жовтня 2008 р. - Дніпропетровськ: НГУ, 2008. - С. 45-49.

13. Колдунов И.А. Изучение процесса деформирования околоствольного массива в районе глубокого сопряжения ствола с основным горизонтом / В.А. Дрибан, И.А. Колдунов // Матеріали міжнародної конференції "Форум гірників - 2009", 30 вересня-03 жовтня 2009 р. - Дніпропетровськ: НГУ, 2009. - С. 64-72.

Особистий внесок автора в роботах, опублікованих в співавторстві: [1] - організація і проведення експериментальних досліджень, аналіз і узагальнення їх результатів;

[2, 8-10, 12, 13] - аналіз і наукова інтерпретація результатів досліджень впливу процесу деформування масиву гірських порід на стан сполучень стволів;

[4] - постановка задач, аналіз стану сполучень стволів, встановлення залежності стану сполучень стволів від факторів, які впливають;

[5, 7] - розробка методики, постановка задач досліджень, встановлення параметрів прояву гірського тиску на сполучення стволів з метою визначення їх особливостей і закономірностей, аналіз і узагальнення одержаних результатів.