Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Подземная разработка месторождений полезных ископаемых

Диссертационная работа:

Зборщик Михаил Павлович. Разработка технологий управления вымещающим массивом и устойчивостью основных подготовительных выработок пологих пластов на больших глубинах : ил РГБ ОД 71:85-5/92

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Стр.
Введение
7

1. Состояние охраны основных подготовительных выработок

на глубоких горизонтах 16

1.1. Особенности разработки пологих пластов на

больших глубинах

1.2. Существующие представления об охране выработок
в обрушенных и уплотненных породах кровли

пластов ^

  1. Анализ выполненных исследований применительно к охране основных полевых подготовительных выработок 30

  2. Анализ опыта охраны основных подготовительных выработок на больших глубинах 36

  3. Современные схемы механизма сдвижения и давления толщи пород при ведении очистных работ .... 42

  4. Выводы, цель и задачи исследований 51

2. шахтные исследования давления подработанной толщи
пород на почву пласта в выработанном пространстве

лав 58

  1. Исходные положения 58

  2. Формирование давления пород на почву пласта относительно движущейся лавы

  3. Определение времени активного оседания пород

над выработанным пространством лавы 76

2.4. Давление подработанной толщи пород на почву

пласта вдоль очистного забоя 89

2.5. Исследование высоты распространения области пол
ных сдвижений в подработанной толще горного мас
сива 96

Стр.

  1. Определение времени проведения выработок в обрушенных породах вблизи неподвижных границ очистных работ Ю2

  2. Исследования структуры обрушенных и уплотненных пород кровли пластов 108

  3. Выводы 121

3. Исследования влияния основных факторов на устойчи
вость выработок, охраняемых в обрушенных породах
125

ЗЛ. Выбор расстояния от неподвижной границы массива

или целика угля до проводимой в обрушенных поро
дах выработки 125

  1. Влияние развития очистных работ на смещения пород контура подготовительных выработок 130

  2. Влияние влажности и мощности пород мелкодробленого слоя на устойчивость выработок ^2.

  3. Выводы 156

4. Шахтные инструментальные наблодения сдвижений пород
надрабатываемой толщи 159

  1. Цель и методика инструментальных наблюдений 159

  2. Сдвижения пород надрабатываемой толщи впереди и позади забоя разгрузочной лавы 163

  3. Сдвижения пород надрабатываемой толщи в параллельном забою разгрузочной лавы сечении 177

  4. Сдвижения пород в зоне разгрузки при отработке смежных столбов по восстанию или падению пласта.. 185

  5. Сдвижения пород в зонах разгрузки при отработке смежных лав по простиранию пласта 202

  6. Механизм сдвижений пород надрабатываемой толщи

при ведении очистных работ 211

Стр.
4.7. Выводы 218

5. Инструментальные наблкщения смещений пород контура
надрабатываемых выработок 222

  1. Задачи и методика наблюдений 222

  2. Смещения пород контура надрабатываемых основных полевых подготовительных выработок 223

  3. Структурные изменения вмещающих пород при надработке выработок 232

  4. Выводы 238

6. Исследование распределения напряжений в плоскости

пласта при развитии очистных работ 240

6.1. Модели формирования зон разгрузки и проявле
ний опорного давления при развитии очистных

работ 240

6.2. Расчет напряжений в плоскости пласта при выемке

угля одиночной разгрузочной лавой 246

  1. Расчет напряжений в плоскости пласта при развитии очистных работ 265

  2. Сравнение результатов математического моделирования с данными шахтных инструментальных наблюдений 272

  3. Выводы 284

7. Направления и способы повышения устойчивости основ
ных подготовительных выработок в зонах разгрузки ... 287

7.1. Основные положения ведения горных работ при

охране выработок в зонах разгрузки 287

7.2. Управление устойчивостью системы крепь - окру
жающие породы и способы охраны выработок 294

7.2.1. Способы использования естественной

Стр.
прочности вмещающей слоистой толщи 295

  1. Способы ограничения крепью смещений пород контура выработок 297

  2. Способы снижения напряженного состояния вмещающих выработку пород 300

  3. Способы повышения прочности вмещающих выработку пород 301

7.3.Управление устойчивостью системы породы зоны
разгрузки - окружающий массив и способы охраны
выработок 306

  1. Способы снижения проявлений опорного давления в надрабатываемой толще пород.. 308

  2. Способы сохранения зон разгрузки при развитии очистных работ 311

7.3.7. Способы создания зон многократной раз
грузки при отработке разгрузочных лав... 315
. Промышленные испытания и внедрение способов охра
ны основных подготовительных выработок в зонах
разгрузки 321

  1. Охрана выработок в обрушенных и уплотненных породах кровли пласта . 321

  2. Предварительная надработка полевых магистральных штреков 338

  3. Последующая фронтальная надработка наклонных выработок 345

  4. Последующая осевая надработка полевых магистральных штреков 356

8.5. Выводы 365

Заключение 3

Стр.
Список литературы 378

Приложения 394

Введение к работе:

Актуальность проблемы. Основной задачей угольной промышленности в одиннадцатой пятилетке является увеличение добычи угля до 770...800 млн. т с одновременным улучшением всех технико-экономических показателей, условий труда, техники безопасности и качества добываемого угля. При этом прирост добычи угля в отрасли намечено обеспечить в основном за счет повышения производительности труда.

Одно из главных мест в решении этой задачи занимает проблема обеспечения надлежащей устойчивости подготовительных выработок. Для шахт Донецкого бассейна эта проблема с каждым годом приобретает все большую актуальность в связи с быстрым углублением горных работ, ухудшением горно-геологических условий и ростом общей протяженности выработок. Уже сейчас 153 шахты ведут разработку на глубинах более 600 м, из них 23 на глубинах более 1000 м, осуществляется подготовка новых горизонтов на глубинах 1000...1500 м. С увеличением глубины разработки ухудшается эксплуатационное состояние горных выработок. В настоящее время средняя по бассейну трудоемкость поддержания выработок на 1000 т добываемого угля достигает 72 человекосмены, при этом около 1Ь% протяженности выработок имеют неудовлетворительные площади поперечных сечений. На ряде глубоких шахт приходится ежегодно ремонтировать до 30...40$ выработок. Работы по поддержанию выработок выполняются вручную, их весьма трудно механизировать и они представляют опасность для людей.

Для действующих глубоких шахт усиление концентрации и интенсификации горных работ немыслимо без ухудшения устойчивости горных выработок. Для шахт с глубиной разработки 1000...1500 м и бо-

лее эта проблема становится еще актуальней, так как нужно исключить или свести к минимуму трудоемкие ручные работы по поддержанию выработок. Такой подход к решению проблемы необходим еще и потому, что обеспечение хорошей устойчивости выработок влечет за собой существенное повышение безопасности работ в шахте.

Устойчивость подготовительных выработок зависит в основном от способов их проведения, охраны и расположения относительно границ очистных работ, а также от типа, конструкции и работоспособности установленных в них крепей. Не умаляя роли и значения крепи, следует отметить, что решающее влияние на состояние подготовительной выработки оказывает принятый способ защиты ее от вредных проявлений горного давления при ведении очистных работ. На глубоких горизонтах шахт все еще применяются традиционные способы охраны основных подготовительных выработок главным образом целиками угля и изредка бутовыми полосами. Оставляемые со стороны очистных работ целики угля шириной 60...80 м во многих случаях не могут противостоять развивающемуся горному давлению и обеспечить достаточную устойчивость выработок. Дальнейшее увеличение ширины целиков связано с неоправданными потерями подготовительных запасов угля.

Цель работы. Создание теоретических основ технологий управления вмещающим выработки массивом пород и на базе этих основ разработка и внедрение новых и эффективных способов охраны и поддержания в зонах разгрузки основных наклонных выработок и штреков главного направления (магистральных) при отработке пологих пластов на больших глубинах.

Идея работы заключается в использовании образующихся зон разгрузки в толще горного массива при выемке угля длинными очистными забоями (150...250 м) и сохранении этих зон в течение всего срока службы основных подготовительных выработок.

Основные научные положения и их новизна.

  1. Экспериментально в шахтных условиях подтверждены, глубже раскрыты и теоретически обоснованы закономерности образования и видоизменения зон разгрузки в толще горного массива при выемке угля разгрузочными лавами и последующем развитии очистных работ, отличающиеся установлением существенного влияния на эти зоны формы и площади выработанного пространства и глубины разработки ; при этом определены параметры зон разгрузки.

  1. Установлены особенности структуры и свойств пород зон разгрузки в области наиболее частого расположения основных подготовительных выработок, отличающиеся наличием в толще обрушенных и уплотненных пород кровли пласта двух зон с разными характеристиками тре-щиноватости пород и поведением под нагрузкой пород надрабатывае-мой толщи аналогично дискретной среде, обладающей малой распределительной способностью.

  2. Раскрыта и обоснована природа механизма смещений пород контура подготовительных выработок, расположенных и поддерживаемых в обрушенной и уплотненной толще, отличающаяся тем, что решающая роль в этом механизме принадлежит породам мелкодробленого слоя, предопределяющим при прочих равных условиях значительно большую величину горизонтальных смещений контура по сравнению с вертикальными.

  3. Установлены особенности механизма смещений пород контура основных полевых подготовительных выработок при их последующей надработке разгрузочными лавами, заключающиеся в одинаковом направлении смещений в сторону полости выработки независимо от характера изменения напряженного состояния вмещающей толщи (пригрузка или разгрузка ее) ; при этом наибольшие смещения контура проявляются

на участке резкого изменения напряжений в породах вмещающей толщи.

5. Разработан и доведен до численной реализации аналитический

метод расчета нормальных напряжений в плоскости пласта, основанный на фундаментальных положениях теории тонких плит, отличающийся универсальностью учета горнотехнической обстановки и позволяющий в единстве прогнозировать сложный механизм перераспределения горного давления в связи с отработкой подготовленных запасов крыла горизонта, панели, блока.

6. Обоснованы пути обеспечения и повышения устойчивости основных подготовительных выработок в зонах разгрузки в связи с разви* тием очистных работ в крыле горизонта, панели, блока, отличающиеся учетом постоянного взаимодействия двух систем: малой "крепь -окружающие породы" и большой "породы зоны разгрузки - окружающий массив".

Таким образом, выносимые на защиту научные положения определяют основы теории и принципы управления вмещающим выработки массивом пород, использование которых позволяет обеспечить эффективную охрану и поддержание в зонах разгрузки основных подготовительных выработок пологих пластов на больших глубинах.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций. В экспериментальных исследованиях это доказано проведенным в типовых условиях глубоких шахт и достаточным объемом следующих инструментальных наблюдений: давления подработанной толщи пород на почву отработанного пласта (6 специальных станций в лавах 5 шахт) ; сдвижений пород надрабатываемой толщи (4 комплексные станции, включающие 25 скважин и около 100 контурных замерных сечений) ; смещений пород контура подготовительных выработок (в 27 выработках было оборудовано 196 замерных сечений) ; структуры обрушенных и уплотненных, а также надработанных пород (в 36 выработках проведено около 3000 измерений элементов залегания и характеристик трещин). Кроме того, применялись современные и хорошо апробирован-

ныв методы натурных наблюдений и обработки экспериментальных данных, использовались результаты промышленных испытаний способов охраны выработок в зонах разгрузки и их широкого внедрения при разработке пологих пластов на больших глубинах.

В теоретических исследованиях достоверность научных положений доказана обоснованностью принятых в расчетной схеме исходных положений, базирующихся на результатах шахтных инструментальных наблюдений, использованием фундаментальных положений теории тонких плит в аналитических исследованиях распределения напряжений в плоскости пласта, применением современного и корректного метода конечных элементов для расчета напряженно-деформированного состояния трещиноватых пород в зонах разгрузки, удовлетворительной сходимостью результатов аналитических расчетов с данными шахтных инструментальных наблюдений и опыта ведения горных работ на больших глубинах.

Научное значение работы заключается в том, что экспериментально в шахтных условиях полнее и глубже раскрыты природные закономерности и особенности протекания геомеханических процессов в подработанной и надработанной толще пород при ведении очистных работ на больших глубинах. Эти закономерности являются исходной научной основой выбора расчетных схем в целом или их параметров в аналитических исследованиях, а также принятия инженерных решений рационального ведения горных работ в сложных условиях больших глубин.

Экспериментально установленное наличие двух зон в толще обрушенных и уплотненных пород кровли пласта вносит принципиально новое представление о вмещающей горные выработки среде, особенности которой должны учитываться в теоретических исследованиях. Обоснованный механизм деформирования обрушенных и уплотненных пород на контуре выработок может быть использован для выбора расчетных

схем определения нагрузок на крепь.

Выявленные особенности структуры и поведения под нагрузкой пород надрабатываемой толщи являются доказательством тому, что в теоретических исследованиях такая среда должна приниматься не упругой, а дискретной. Установленные особенности механизма смещений пород контура основных полевых подготовительных выработок при их надработке дополняют и расширяют круг представлений о природе проявлений горного давления в выработках при отработке пологих пластов на больших глубинах.

Разработанный аналитический метод расчета нормальных напряжений в плоскости пласта позволяет вести прогноз и оценивать планируемые варианты развития очистных работ в крыле горизонта, панели, блока с учетом ожидаемых проявлений горного давления в очистных и подготовительных выработках глубоких шахт.

Практическое значение работы заключается в том, что на базе созданных теоретических основ технологий управления вмещающим массивом и устойчивостью выработок обоснованы новые и эффективные способы охраны основных подготовительных выработок в зонах разгрузки, а именно: расположение и поддержание выработок в обрушенных и уплотненных породах кровли пласта, расположение и проведение полевых выработок в предварительно разгруженной подстилающей толще пород (так называемый способ предварительной надработки выработок), способ последующей надработки полевых выработок разгрузочными лавами. Дано обоснование принципам выбора рациональных параметров расположения выработок в зонах разгрузки с учетом развития очистных работ (отработки смежных лав). Разработаны и обоснованы способы повышения устойчивости выработок в зонах разгрузки в связи с развитием очистных работ в крыле горизонта, панели, блока, заключающиеся в повышении работоспособности малой системы "крепь -

окружающие породы" и управлении состоянием и поведением большой системы "породы зоны разгрузки - окружающий массив1*. Предложен метод прогноза распределения напряжений в плоскости пласта при развитии очистных работ, который позволяет на стадии проектирования или текущего планирования принимать лучшие инженерные решения по обеспечению устойчивости подготовительных выработок. Новизна способов охраны выработок в зонах разгрузки защищена 12 авторскими свидетельствами на изобретения.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Обоснованные автором новые способы охраны в зонах разгрузки основных наклонных выработок и штреков главного направления (магистральных) прошли промышленные испытания и в настоящее время сравнительно широко внед-" рены на глубоких горизонтах шахт Донецкого бассейна: способ расположения и подцержания выработок в обрушенных и уплотненных породах кровли пластов уже применяется на 25 шахтах, способы предварительной и последующей надработки основных полевых выработок исполь-зуготся соответственно на 13 и 7 шахтах. Фактический годовой экономический эффект в конкретных условиях одной крупной глубокой шахты зависит от применяемых способов охраны, протяженности выра-- боток, поддерживаемых в зонах разгрузки, и составляет 0,3...0,9 млн. рублей.

Результаты исследований использованы в отраслевых нормативных документах, утвержденных Минуглепромом СССР: "Основные положения по разработке проектов новых и реконструкции действующих угольных шахт Донецкого бассейна", М.: Центрогипрошахт, 1971 ; "Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию выработок на угольных шахтах СССР", Л.: ВНИМИ, 1978.

Научные и практические результаты работы, опубликованные в учебном пособии и 2 монографиях, используются в учебном процессе при подготовке специалистов горного профиля.

Апробация работы. Основные положения работы в целом и отдельные ее этапы обсуждались и получили одобрение на: республиканской научно-технической конференции по вопросам охраны и крепления капитальных и подготовительных выработок на угольных шахтах Украины (Донецк, 1968) ; Всесоюзной научной конференции по физике горных пород и процессов (Москва, 1969) ; республиканской начуно-техниче-ской конференции по способам защиты вертикальных стволов, горизонтальных и наклонных горных выработок на больших глубинах (Енакие-во, 1975) ;У, УІ, УП и УШ Всесоюзных семинарах по исследованию горного давления и способам охраны капитальных и подготовительных выработок (Ткибули, 1976 ; Новосибирск, 1978 ; Владивосток, 1980; Якутск, 1982) ; УІ и УП Всесоюзных научных конференциях по косплекс-ным исследованиям физических свойств горных пород и процессов (Москва, 1977 и 1981) ; республиканской научно-технической конференции по совершенствованию способов охраны и средств крепления горных выработок глубоких шахт Донбасса (Киев, 1979) ; Ш и ІУ Всесоюзных семинарах по аналитическим методам и применению ЭВМ в механике горных пород (Новосибирск, I960 и 1982) ; УП Всесоюзной конференции по механике горных пород (Днепропетровск, 1981) ; П Всесоюзной научной конференции по проблемам механики подземных сооружений (Тула, 1982).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 59 научных работ, в том числе 3 монографии и 12 авторских свидетельств на изобретения.

Связь темы диссертации с планом основных работ института. В течение почти трех последних десятилетий одним из главных научных направлений Донецкого политехнического института является изыскание новых и совершенствование существующих способов охраны и поддержания капитальных и подготовительных выработок глубоких шахт. Диссертация является составной частью этих исследова-

ний (номера госрегистрации тем 68075038 ; 72044436 ; 73061092 ; 76038290 ; 0І8І7010495), которые выполнены по планам важнейших заданий Минуглепрома УССР. В проведенных исследованиях автор принимал непосредственное участие с 1962 г. в качестве ответственного исполнителя и с 1972 г. в качестве научного руководителя.

Автор выражает глубокую благодарность проф., докт. техн. наук С.М.Липковичу за консультативную помощь в процессе выполнения диссертации, а также всем сотрудникам института и инженерно-техническим работникам объединений и шахт за оказанную помощь при выполнении инструментальных наблюдений и внедрении результатов исследований в промышленность.

Подобные работы
Донская Елена Михайловна
Влияние природных и технических факторов на эффективность разработки крутых выбросоопасных пластов Донбасса на больших глубинах
Каландадзе Теймураз Владимирович
Совершенствование технологии разработки мощных крутонаклонных пластов с буровзрывной выемкой угля без присутствия людей в очистном забое
Бекбергенов Досанбай Калдарбаевич
Разработка технологии предварительного тросоинъекционного упрочнения горных пород при подготовительно-нарезных работах.
Денисенко Сергей Иванович
Обоснование геомеханических параметров подземной технологии разработки угольных пластов в приконтурной зоне разрезов Кузбасса
Михайлов Юрий Васильевич
Разработка основ эффективных технологий подземной добычи ценных песков и руд в условиях криолитозоны
Хамимолданов Бауржан
Совершенствование технологии и установление параметров разработки мощных пологопадающих рудных месторождений (на примере Джезказганского месторождения)
Заводчиков Леонид Васильевич
Определение параметров крепи и упрочнения неустойчивых боковых пород, обеспечивающих устойчивость повторно используемых выработок
Горожанкин Вячеслав Борисович
Исследование и разработка способов ведения очистных работ в зонах влияния целиков угля на горные выработки смежных пластов
Айдарова Мария
Повышение эффективности поддержания слоевых выработок при отработке мощных пластов на глубоких горизонтах (на примере шахт промышленного участка Карагандинского бассейна)
Чавчанидзе Гурам Григорьевич
Разработка и исследование рациональных конструкций крепи для подготовительных выработок глубоких шахт при обработке мощных угольных пластов наклонными слоями

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net