Особливості прояву гірського тиску в протяжних виробках з підошвою, яка здимається. Дослідження картини деформування масиву в підошві одиночної виробки. Установлення закономірностей впливу шару міцної породи, що залягає в покрівлі протяжної виробки.
Аннотация к работе
Вивчення стану протяжних виробок шахт України, аналіз витрат, що повязані із їх підтримкою та ремонтом, показують, що найбільш трудомісткими процесами при забезпеченні експлуатаційного стану виробок є заходи щодо боротьби зі здиманням порід підошви. Особливе значення мають такі дослідження для умов, коли масив, що вміщує виробку, має структурні особливості, котрі впливають на його напружено-деформований стан (НДС), а отже, і на стан виробки. Метою досліджень є встановлення закономірностей явища втрати пружнопластичної стійкості підошви виробки, розташованої у масиві, що містить шари порід, які істотно відрізняються за своїми фізико-механічними властивостями. Наукові положення, що захищаються в дисертації: - конфігурація зони непружних деформацій навколо одиночної виробки істотно залежить від ступеня неоднорідності породного масиву, а середній радіус цієї зони, при одній і тій же величині бічного розпору, зворотньопропорційний коефіцієнтові шаруватості, що дозволяє для конкретних гірничо-геологічних умов оцінити можливість здимання порід підошви і визначати таке місце закладення виробки, при якому її руйнування буде мінімальним; розміри області непружних деформацій навколо одиночної виробки нелінійно залежать від величини закритичного підняття підошви і, незалежно від коефіцієнта шаруватості, стабілізуються при її значенні, рівному 0,3 м, що дозволяє прогнозувати обсяги ремонтних робіт у виробці і розробляти заходи щодо забезпечення її стійкості.За наявними статистичними даними, погіршення стану внаслідок здимання порід підошви спостерігається у 45% виробок з усього обєму деформованих виробок на вугільних шахтах України. Для вивчення характеру розвитку здимання підошви були проведені спостереження на контурних реперних станціях у виробці, що пройдена під шаром міцної породи в умовах шахти “Білозерська”. З метою вивчення характеру деформування масиву під час здимання її підошви, при наявності в належній товщі шару міцної породи різної потужності, були проведені лабораторні дослідження із залученням еквівалентних матеріалів. Аналіз графіків, що характеризують швидкості збільшення величини зсувів підошви виробки, що моделюється, в залежності від зміни величини зовнішнього навантаження дозволяє виділити три явно виражені зони: I - нульових зсувів, що відповідає початковому етапові навантаження моделей, коли яких-небудь видимих переміщень контуру не зафіксовано; II - видимих зсувів (розвиток зони розпушення навколо виробки); III - інтенсивних зсувів (виникнення здимання підошви). Перехід із зони II у зону III характеризується різким ростом швидкості і величини зсувів контуру підошви, тобто момент утворення тріщини можна розглядати як початок здимання підошви у виробці.Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, у якій на основі вперше встановлених закономірностей втрати пружнопластичної стійкості підошви протяжної виробки вирішена актуальна науково-технічна задача підвищення стійкості капітальних виробок із підошвою, що здимається, розташованих поза зоною впливу очисного простору у складноструктурному шаруватому масиві. Вперше застосований для вирішення чисельної пружнопластичної задачі про НДС приконтурного порідного масиву феноменологічний підхід, що враховує нелінійні ефекти поводження матеріалу, який відрізняється тим, що під час вирішення додаткові (непружні) деформації підсумовуються і кульова складова тензору деформацій змінюється таким чином, що на останньому кроці вирішення одержуються значні переміщення на контурі виробки, що моделюється, що відбивають картину переміщень на контурі реальної виробки. Вперше виконане вирішення чисельної задачі дослідження збуреного процесу втрати стійкості геомеханічної системи “виробка-породний масив” із використанням механічної моделі явища здимання порід підошви, що імітує розвиток процесу в часі та розглядає здимання, що має безперервний часовий характер, як дискретний квазістатичний процес. Встановлено, що у формуванні напружено-деформованого стану шаруватого масиву навколо одиночної виробки поза зоною впливу очисних робіт, який містить шари, що істотно відрізняються за міцістю, беруть участь породи, розташовані на відстанях до 8,75R0 від контуру виробки, де R0 - її напівпроліт. 550 м на шахті “Білозерська” ДП “Добропіллявугілля”, при цьому частота й обсяги підривки порід підошви знизилися в 1,5 рази, а величина та швидкість зсувів порід - у 1,5-2,0 раза, що свідчить про підвищення загальної стійкості виробки.
План
Основний зміст роботи
Вывод
Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, у якій на основі вперше встановлених закономірностей втрати пружнопластичної стійкості підошви протяжної виробки вирішена актуальна науково-технічна задача підвищення стійкості капітальних виробок із підошвою, що здимається, розташованих поза зоною впливу очисного простору у складноструктурному шаруватому масиві.
Основні наукові і практичні результати роботи полягають у наступному: 1. Проведено візуальне обстеження стану протяжних виробок шахт ДП “Добропіллявугілля”, під час якого зясовано, що здимання є одним з основних видів прояву гірського тиску. Інструментальні дослідження цього явища виявили його складний характер, який дозволяє розглядати здимання як втрату стійкості геомеханічної системи “виробка-породний масив”.
2. Доведено на лабораторних моделях, що момент настання втрати стійкості підошви має прямо пропорційну, а інтенсивність здимання - зворотньопропорційну залежність від потужності міцного шару в основній покрівлі виробки.
3. Вперше застосований для вирішення чисельної пружнопластичної задачі про НДС приконтурного порідного масиву феноменологічний підхід, що враховує нелінійні ефекти поводження матеріалу, який відрізняється тим, що під час вирішення додаткові (непружні) деформації підсумовуються і кульова складова тензору деформацій змінюється таким чином, що на останньому кроці вирішення одержуються значні переміщення на контурі виробки, що моделюється, що відбивають картину переміщень на контурі реальної виробки.
4. Вперше виконане вирішення чисельної задачі дослідження збуреного процесу втрати стійкості геомеханічної системи “виробка-породний масив” із використанням механічної моделі явища здимання порід підошви, що імітує розвиток процесу в часі та розглядає здимання, що має безперервний часовий характер, як дискретний квазістатичний процес.
5. Вперше розроблена математична модель, що дозволяє дослідити позакритичний стан приконтурного породного масиву навколо одиночної виробки у процесі підняття порід підошви.
6. Встановлено, що при виконанні чисельних розрахунків НДС порідного масиву біля одиночної виробки з використанням покрокової процедури МСЕ збіжність рішення досягається, якщо інкремент величини зовнішнього навантаження дорівнює від максимального заданого значення. Така відносно мала величина інкременту виключає необхідність застосування ітераційних процедур, не знижуючи при цьому достатню точність одержуваного результату.
7. Встановлено, що у формуванні напружено-деформованого стану шаруватого масиву навколо одиночної виробки поза зоною впливу очисних робіт, який містить шари, що істотно відрізняються за міцістю, беруть участь породи, розташовані на відстанях до 8,75R0 від контуру виробки, де R0 - її напівпроліт.
8. Модифіковано критерій спучування для випадку шаруватого масиву, що містить шари порід, котрі істотно відрізняються за своїми фізико-механічними властивостями, який забезпечує можливість урахування впливу як міцності кожного шару, так і його відстані до виробки. Розроблена методика і побудована номограма, що дозволяють оцінити можливість спучування підошви протяжної виробки при даному її місці розташування.
9. Результати досліджень були використані під час спорудження бремсберга №3 пл. l8 гор. 550 м на шахті “Білозерська” ДП “Добропіллявугілля”, при цьому частота й обсяги підривки порід підошви знизилися в 1,5 рази, а величина та швидкість зсувів порід - у 1,5-2,0 раза, що свідчить про підвищення загальної стійкості виробки. Очікуваний економічний ефект складає більш ніж 275 тис. грн. у рік на 1000 п.м. виробки.
Список опублікованих праць здобувача за темою дисертації
Проблемы устойчивости подготовительных выработок на шахте “Белозерская” ГХК “Добропольеуголь” / Гапеев С.Н., Кужель С.В., Панибратченко В.Ф., Хозяйкина Н.В., Григорьев А.Е. // Наукові праці ДОННТУ. Серія: гірничо-геологічна.- Донецьк: ДОННТУ, 2002.- Вип. 54.- С.137-142.
Гапеев С.Н. К вопросу исследования пучения почвы протяженных выработок // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наук. пр. КДПУ.- Кременчук: КДПУ, 2002.- Вип. 6 (17).- С.51-52.
Гапеев С.Н., Шашенко А.Н., Янко В.И. Численное моделирование процесса потери упругопластической устойчивости породного массива в окрестности одиночной выработки // Сб. науч. тр. НГУ.- Днепропетровск: РИК НГУ, 2002.- №15.- т. 1.- С.29-34.
Гапеев С.Н., Борщевский С.В., Масленников Е.В. Моделирование процесса пучения пород почвы выработок, расположенных в сложноструктурном массиве // Наукові праці ДОННТУ. Серія: гірничо-геологічна.- Донецьк: Дон-НТУ, 2003.- Вип. 63.- С.97-102.
Гапеев С.Н. Исследование процесса пучения почвы протяженной выработки лабораторными и численными методами // Сб. науч. тр. НГУ.- Днепропетровск: РИК НГУ, 2003.- №17.- т. 1.- С.350-355.
Гапеев С.Н., Кужель С.В., Мартыненко С.В. Изучение деформаций крепи и массива, вмещающего протяженные горные выработки, на шахтах ГП “Добропольеуголь” // Разработка рудных месторождений. Науч.-техн. сб.- Кривой Рог: Изд-во КТУ, 2004.- Вып. 85.- С.181-185.
Гапеев С.Н. Исследование процесса потери упругопластической устойчивости массива в окрестности одиночной выработки численными методами // Изв. Тульского государственного университета. Серия: “Геомеханика. Механика подземных сооружений”.- Тула: Изд-во ТГУ, 2003.- Вып. 1.- С.65-69.
Гапеев С.Н. Численное упругопластическое решение задачи о равновесии приконтурного массива вокруг одиночной выработки // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: Тезисы докладов междунар. науч.-техн. конф.- Донецк: “Норд-пресс”, 2003.- С.17.
Гапеев С.Н., Шашенко А.Н. Математическая модель процесса потери упругопластической устойчивости породного массива в окрестности одиночной выработки // Гірничовидобувна промисловість України і Польщі: актуальні проблеми і перспективи: Матеріали Українсько-Польського форуму гірників - 2004.- Дніпропетровськ: НГУ, 2004.- С.75-80.
Особистий внесок здобувача в роботах, написаних у співавторстві: [1,6] - формулювання основних задач, виконання спостережень у шахтних умовах, аналіз результатів; [3, 8] - розробка методики і проведення чисельних досліджень; [4] - розробка методики, виконання та аналіз результатів лабораторних досліджень; [10] - розробка механічної моделі та аналіз результатів чисельних експериментів.