Министерство образования и науки, молодежи и спорта украины государственное высшее учебное заведение национальный горный университет icon

Министерство образования и науки, молодежи и спорта украины государственное высшее учебное заведение национальный горный университет




Скачати 373.43 Kb.
НазваМинистерство образования и науки, молодежи и спорта украины государственное высшее учебное заведение национальный горный университет
Дата01.07.2012
Розмір373.43 Kb.
ТипАвтореферат диссертации

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЫСШЕЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ

"НАЦИОНАЛЬНЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"


КОЛДУНОВ Игорь Александрович


УДК 622.016.222:622.838


ГЕОМЕХОНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ сопряжений

вертикальных стволов НА глубоких ГОРИЗОНТАХ


Специальность 05.15.09 – “Геотехническая и горная механика”


Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Днепропетровск – 2011

^ Диссертацией является рукопись.


Работа выполнена в Украинском государственном научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте горной геологии, геомеханики и маркшейдерского дела (УкрНИМИ) Национальной Академии наук Украины (г. Донецк).



доктор технических наук, старший научный сотрудник

^ Дрибан Виктор Александрович,

заведующий отделом горного давления Украинского государственного научно-исследовательского и проектно-конструкторского института горной геологии, геомеханики и маркшейдерского дела (УкрНИМИ) Национальной Академии наук Украины (г. Донецк).
^ Научный руководитель:



доктор технических наук, профессор

Дружко Евгений Борисович,

профессор кафедры оснований, фундаментов и подземных сооружений Донбасской национальной академии строительства и архитектуры Министерства образования и науки, молодежи и спорта Украины (г. Макеевка);


кандидат технических наук, доцент

^ Гапеев Сергей Николаевич,

доцент кафедры строительства и геомеханики Государственного высшего учебного заведения "Национальный горный университет" Министерства образования и науки, молодежи и спорта Украины (г. Днепропетровск).
Официальные оппоненты:


Защита состоится " 11 " марта 2011 г. в 12.00 часов на заседании специализированного ученого совета Д 08.080.04 в Государственном высшем учебном заведении "Национальный горный университет" Министерства образования и науки, молодежи и спорта Украины (49600, г. Днепропетровск, просп. К. Маркса, 19).


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГВУЗ "Национальный горный университет" Министерства образования и науки, молодежи и спорта Украины.


Автореферат разослан " 09 " февраля 2011 г.


Ученый секретарь

специализированного ученого совета Д 08.080.04





А. В. Солодянкин
^

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность темы. Сопряжения стволов с околоствольными выработками являются наиболее ответственными участками шахтных стволов, от состояния которых зависит бесперебойная работа угольных предприятий.

Любые повреждения крепи или армировки сопряжений стволов связаны с существенными материальными затратами.

Увеличение глубины разработки и существенное усложнение условий охраны и поддержания глубоких горизонтов показали, что ряд вопросов, касающихся обеспечения устойчивости сопряжений стволов решены не в полной мере. Традиционные способы их охраны и поддержания во многих случаях оказываются неэффективными, особенно на участках неустойчивых вмещающих пород. Это подтверждают результаты систематических обследований состояния глубоких вертикальных стволов в Донбассе, последнее из которых выявило, что более половины из них имели повреждения крепи и армировки различной степени тяжести, причем 80 % повреждений приходилось на участки сопряжений. Таким образом, для обеспечения эксплуатационной сохранности стволов, в первую очередь, необходимо решение вопроса устойчивости их сопряжений.

С увеличением глубины качественно изменились условия охраны стволов и их сопряжений, меняется характер взаимодействия крепи с боковыми породами, которые во многих случаях переходят в предельное состояние. Изменились параметры взаимовлияния околоствольных выработок (включая ствол) на глубоких горизонтах при их проходке и перекреплении. Для решения указанных вопросов требуется проведение дополнительных исследований.

Поэтому установление закономерностей деформирования массива горных пород на глубоких горизонтах и разработка на этой основе предложений по способам обеспечения устойчивости сопряжений стволов является актуальной научно-технической задачей.

^ Связь работы с научными программами, планами, темами. Основные результаты диссертационной работы получены в процессе выполнения НИР УкрНИМИ, проведенных в рамках отраслевых работ по заказу Минуглепрома Украины и Национальной академии наук Украины (номера государственной регистрации: 02560060101, 0239008200, 0295152000, 0219816040М–Ц13, 6/03 ДР 0102U007320, 14/08 ДР 0107U010339 и др.), в которых автор принимал участие в качестве исполнителя.

^ Целью исследований является определение зависимости состояния сопряжений стволов от влияющих факторов, закономерностей деформирования массива горных пород и разработка на этой основе предложений по способам обеспечения устойчивости сопряжений глубоких горизонтов.

^ Идея работы заключается в использовании закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния породного массива и развития геомеханических процессов в районах сопряжений стволов для обеспечения их устойчивости.

Для достижения поставленной цели в диссертации сформулированы и решены следующие основные задачи исследований:

  • выявить основные причины повреждений крепи и армировки сопряжений стволов на глубоких горизонтах;

  • установить зависимости состояния сопряжений стволов от горно-геологических, геомеханических и горнотехнических факторов;

  • установить закономерности деформирования околоствольного массива и крепи выработок в районах сопряжений;

  • разработать предложения по способам обеспечения устойчивости сопряжений стволов глубоких горизонтов.

^ Объектом исследований является деформирование и устойчивость породного массива и крепи в районах сопряжений вертикальных стволов на глубоких горизонтах.

^ Предметом исследований являются факторы, влияющие на устойчивость сопряжений стволов на глубоких горизонтах, и параметры деформирования породного массива.

^ Методы исследования. При выполнении диссертационной работы были применены комплексные исследования, включающие: обследование состояния сопряжений стволов глубоких горизонтов; анализ и обобщение результатов исследований методом математической статистики; проведение инструментальных исследований на наблюдательных станциях, заложенных в районах сопряжений стволов.

^ Основные научные положения, которые защищаются в диссертации:

  • состояние сопряжений глубоких вертикальных стволов определяется экспоненциально-степенной зависимостью от следующих комплексных факторов: геомеханического показателя; степени влияния очистных выработок; степени изрезанности массива и структурного показателя состава вмещающих пород, учет которых позволяет определять оптимальные параметры охраны и поддержания сопряжений;

  • при проведении выработок в районах сопряжений глубоких горизонтов в условиях неустойчивых пород образуются динамические зоны влияния размером по вертикали до 40 м, что в 1,5...2 раза больше стационарных, деформирование массива в которых носит неравномерный, знакопеременный характер и продолжается в течение 2...3 месяцев после окончания работ; эти данные позволяют определять оптимальные пространственно-временные параметры проведения выработок и возведения крепи.

^ Научная новизна полученных результатов:

  1. Впервые установлены зависимости состояния сопряжений стволов от комплекса влияющих факторов, учитывающих горно-геологические, геомеханические, горнотехнические условия охраны и поддержания;

  2. Впервые установлены особенности и закономерности деформирования массива горных пород в районах сопряжений стволов на глубоких горизонтах в сложных геомеханических условиях, а именно:

  • размеры динамических зон влияния, образующихся при проведении и перекреплении околоствольных выработок в районах сопряжений стволов глубоких горизонтов в условиях неустойчивых пород;

  • время последействия проведения сбойки сопрягающейся выработки со стволом;

  • характер и величина смещений крепи сопряжений во времени и пространстве.

^ Научное значение работы заключается в определении зависимости состояния сопряжений стволов глубоких горизонтов от влияющих факторов и установлении закономерностей и параметров деформирования вмещающего горного массива пород.

^ Практическое значение работы заключается в следующем:

  1. Разработаны предложения по способам обеспечения устойчивости сопряжений стволов глубоких горизонтов, как на уровне проектирования, так и эксплуатации исходя из оценки их состояния, позволяющие рационально выбирать место расположения сопряжения и способы его охраны и поддержания.

  2. Разработаны организационно-технические мероприятия по обеспечению устойчивости сопряжений, которые определяют рациональное расположение, порядок во времени и пространстве проведения и крепления выработок в районах сопряжений стволов.

^ Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждается: использованием фундаментальных положений формирования напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород; корректным применением методов математической статистики; представительным объемом экспериментальных данных, включающих результаты обследования более 500 зон сопряжений стволов; высокими корреляционными связями в полученных зависимостях оценки состояния сопряжений от влияющих факторов (корреляционное отношение 0,6...0,9); значительным объемом инструментальных измерений на 12 наблюдательных станциях; хорошей сходимостью прогнозных и фактических величин.

^ Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы в следующих нормативных и нормативно-методических документах.

Расположение, охрана и поддержание горных выработок при отработке угольных пластов на шахтах. Методические указания: КД 12.01.01.201 – 98  Утв. Минуглепромом Украины 25.06.98  Д., : УкрНИМИ, 1998.  149 с.

Правила ликвидации стволов угольных шахт: КД 12.12.005-2001  Утв. Минуглепромом Украины 01.03.2001  Д., : УкрНИМИ : Донгипрошахт, 2001.  122 с.

Правила підробки будівель, споруд і природних об'єктів при видобуванні вугілля підземним способом: ГСТУ 101.00159226.001-2003. – [Затв. Мiнпаливенерго України 28.11.2003]. – К. : 2004. – 128 с.

При непосредственном участии автора разработано более 50 заключений и рекомендаций, регламентирующих вопросы охраны поддержания стволов и их сопряжений в конкретных геомеханических условиях. Экономический эффект от внедрения результатов работы составляет около 500 тыс. грн. для одного сопряжения ствола.

^ Личный вклад автора состоит в формулировании идеи, цели, задач исследований, научных положений и выводов диссертации, получении статистических зависимостей состояния сопряжений от влияющих факторов и закономерностей деформирования породного массива в этом районе. Экспериментальные исследования, включая закладку наблюдательных станций, проведение инструментальных измерений и обследований сопряжений шахтных стволов, анализ и обобщение полученных результатов производились при непосредственном участии автора диссертации.

^ Апробация результатов диссертации. Основные научные положения, результаты и содержание работы докладывались на: IV Научно–технической конференции вузов Украины "Маркшейдерское обеспечение горных работ" (Донецк, ДГТУ, 1996); на международных научно–технических конференциях: "Форум горняков" (Днепропетровск, НГУ, 2007   2009); "Горная геология, геомеханика и маркшейдерия" (Донецк, УкрНИМИ, 2009); на ученом совете УкрНИМИ НАН Украины (Донецк, УкрНИМИ, 2010).

Публикации. Основные положения диссертационной работы отображены в 13 научных трудах, в частности 7 статьях, опубликованных в специализированных изданиях и 3 статьях, опубликованных в сборниках конференций. При выполнении работы получено 3 патента Украины на полезную модель.

^ Структура и объем. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка использованных источников из 121 наименования на 14 страницах и 1 приложения на 2 страницах. Содержит 138 страниц машинописного текста, 42 рисунка и 13 таблиц. Общий объем работы составляет 161 страницу.


^ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ


Первый раздел диссертации посвящен анализу изученности вопросов охраны и поддержания сопряжений вертикальных шахтных стволов и исследований деформирования околоствольного массива горных пород. Механизмы формирования НДС массива вокруг выработок, нагрузок на крепь и разработка методов оценки устойчивости и обеспечения эксплуатационного состояния горных выработок и шахтных стволов на протяжении многих лет являются предметом многочисленных дискуссий и поисков. Достигнутый уровень геомеханической науки обеспечивал решение возникших в свое время практических задач. В этом заслуга научно-исследовательских и учебных институтов. Особо следует отметить роль таких ученых как: Борисовец В. А., Борщевский С. В., Булычев Н. С., Гапеев С. Н., Дрибан В. А., Дружко Е. Б., Козел А. М., Кулибаба С. Б., Крупенников Г. А., Левит В. В., Либерман Ю. М., Новикова Л. В., Репко А. А., Роенко А. Н., Руппенейт К. В., Садовенко И. А., Сдвижкова Е. А., Филатов Н. А., Фисенко Г. Л., Халимендик Ю. М., Шашенко А. Н., Южанин И. А. и др.

Однако с увеличением глубины расположения сопряжений стволов с выработками качественно изменились условия их охраны и поддержания.

Размеры предохранительных целиков под шахтные стволы во многих случаях оказываются недостаточными, чтобы исключить влияние очистных работ на сопряжения, особенно при многократном оконтуривании целиков.

Породы, вмещающие сопряжения, с невысокими прочностными свойствами (Rc = 20...50 МПа), переходят в предельное состояние, изменяется характер их взаимодействия с крепью. Изменились величины параметров, исключающих взаимовлияние выработок на глубоких горизонтах (как вертикальных, так и горизонтальных) при их проходке и перекреплении в пространстве и времени.

Указанные особенности охраны и поддержания сопряжений на глубоких горизонтах изменили характер влияния некоторых факторов на их состояние и требуют корректировки и уточнения. Вышеуказанные обстоятельства потребовали проведения исследований с учетом изменившихся условий. Это касается разработки комплекса мер охраны и поддержания сопряжений, включающего: рациональный выбор места расположения ствола и его сопряжения при проектировании; мероприятия по управлению НДС околоствольного массива горных пород в районе сопряжений; рациональный выбор параметров крепи и конструктивных мер защиты сопряжений; регламент проведения и перекрепления околоствольных выработок (в том числе ствола и его рассечек под сопряжения), сводящий к минимуму их взаимовлияние.

Исходя из вышеизложенного, определены цели и задачи исследований, выбраны методы их решения.

^ Во втором разделе диссертации рассмотрены вопросы методики выполнения исследований для решения первых двух поставленных задач.

Основным методом исследований было выбрано обследование состояния 156 (более 500 зон) действующих сопряжений глубоких вертикальных шахтных стволов в условиях пологого и наклонного залегания пластов.

Обследование выполнялось в три этапа.

  1. Визуальный осмотр состояния крепи и армировки сопряжений с целью определения характера (раковины, трещины, заколы, вывалы, искривления и изгибы армировки и др.), интенсивности и объема повреждений.

  2. Формирование базы данных по условиям охраны и поддержания сопряжений (из горно-геологической и технической документации), а именно: состав и физико-механические свойства массива горных пород; гидрогеологическая обстановка; характеристика геологических нарушений; степень и параметры оконтуривания околоствольных предохранительных целиков очистными выработками; параметры и характеристики выработок околоствольного двора; конструкция сопряжений; вид и параметры крепи и т. д.

  3. Обработка, анализ и обобщение полученных результатов.

Результаты обследования послужили исходными данными для выявления причин повреждений крепи и установления количественных зависимостей состояния сопряжений от влияющих факторов. При этом была использована система балльной оценки состояния сопряжений, разработанная в УкрНИМИ, от 1 (хорошее) до 3 (аварийное) с шагом 0,5 балла.

В разделе также приведены описания нарушений крепи и армировки наиболее характерных сопряжений стволов глубоких горизонтов. По выполненному качественному анализу причин их возникновения были сделаны выводы, что основными причинами повреждений крепи и армировки являются сложные горно-геологические условия расположения сопряжений (неустойчивые породы), а также влияние очистных и околоствольных выработок, проводимых в этот период в районе предохранительного околоствольного целика.

Из проведенного анализа также было установлено, что влияние различных факторов на состояние сопряжения необходимо учитывать не в отдельности, а комплексно, т. е. во взаимосвязи этих факторов.

^ В третьем разделе диссертации представлены результаты установления зависимостей состояния сопряжений от горно-геологических, геомеханических и горнотехнических факторов.

Анализ различных вариантов регрессионных соотношений, соответствующих физическому смыслу задачи, позволил установить общий вид зависимости, наилучшим образом описывающей взаимосвязи, которая имеет вид:

, (1)

где ^ Y – результативный признак (оценка состояния сопряжения); аi – параметры уравнения регрессии; ?H/R  геомеханический показатель напряженного состояния массива горных пород; ? – объемный вес пород (0,025 МН/м3); H – глубина; – средневзвешенная прочность пород на сжатие в зоне сопряжения; RСi – прочность пород на сжатие (в массиве) i-го слоя в конкретной зоне сопряжения; mi - мощность i-го слоя пород;   коэффициент изрезанности массива выработками околоствольного двора; SВ, S50 – площадь в плане соответственно околоствольных выработок и зоны вокруг ствола в радиусе 50 м; – структурный показатель состава вмещающих пород; Ко – показатель влияния очистных выработок, вычисляемый по формуле, разработанной в УкрНИМИ:

, (2)

где ?k(j) – угол оконтуривания предохранительного целика с k-ой стороны (k – число сторон оконтуривания) по j-ому пласту; – показатель влияния j-го пласта на i-й в группе взаимовлияющих пластов (Hj, Hi - глубины залегания i-го и j-го пластов).

Параметры впервые полученных уравнений регрессии и их статистики связи по зонам и типам крепи приведены в табл. 1. Достоверность их подтверждается высокими корреляционными отношениями ( = 0,6…0,9).

Таблица 1

Параметры уравнений регрессии и статистики связи

Зона

Параметры

уравнений регрессии

Статистики

уравнений

Частные коэффициенты

корреляции














?

?

n

?H/R

Ko

Кв

Кс

^ БЕТОННАЯ КРЕПЬ

I

0,56

2,31

0,51

-1,25

0,07

0,64

0,47

63

0,44

0,40

-0,29

0,03

II

0,67

1,61

0,65

-1,24

0,07

0,61

0,50

60

0,51

0,41

-0,19

0,01

смешаннАЯ БЕТОННАЯ КРЕПЬ (с участками других крепей)

I+II

0,56

1,85

0,71

-0,96

0,08

0,73

0,44

171

0,49

0,56

-0,17

0,01

III

0,70

0,71

0,70

-0,34

0,02

0,71

0,34

78

0,18

0,61

-0,06

0,08

^ БЕТОННАЯ КРЕПЬ ОДНОСТОРОННИХ СОПРЯЖЕНИЙ

I+II

0,52

1,30

1,16

-0,85

0,21

0,86

0,32

34

0,59

0,73

-0,35

0,31

I

0,48

1,52

0,96

-0,31

0,20

0,84

0,29

21

0,35

0,65

-0,27

0,2

II

0,49

1,65

0,84

-0,42

0,02

0,89

0,25

30

0,75

0,76

-0,33

0,12

III

0,75

0,74

0,66

-0,39

0,19

0,71

0,34

39

0,35

0,67

-0,14

0,13

^ ЖЕЛЕЗОБЕТОННАЯ КРЕПЬ

I+II

1,27

0,42

0,60

-1,82

0,04

0,91

0,31

68

0,22

0,73

-0,44

0,02

I

1,19

0,56

0,40

-1,63

0,21

0,79

0,43

26

0,14

0,39

-0,38

0,34

II

1,31

0,49

0,50

-1,91

0,09

0,83

0,39

32

0,24

0,53

-0,4

0,01

III

1,28

0,31

0,67

-1,78

0,10

0,81

0,44

42

0,21

0,59

-0,35

0,1

^ БЕТОНИТОВАЯ КРЕПЬ

I+II

1,01

1,86

0,11

-2,32

0,35

0,76

0,48

45

0,53

0,08

-0,39

0,5

I

0,93

2,16

0,16

-1,88

0,26

0,81

0,44

22

0,49

0,07

-0,22

0,29

II

1,00

0,56

0,18

-1,96

0,66

0,90

0,32

18

0,34

0,15

-0,51

0,73

III

1,03

2,32

0,50

-0,45

0,14

0,73

0,35

15

0,6

-0,3

-0,13

0,22

^ КИРПИЧНАЯ КРЕПЬ

I+II

0,59

1,59

0,69

-0,05

0,04

0,84

0,20

33

0,49

0,44

0,01

0,06

I

0,77

1,05

0,66

-1,06

0,25

0,84

0,31

33

0,09

0,69

-0,19

0,37

II

0,63

0,79

0,77

0,15

0,04

0,71

0,34

33

0,17

0,58

0,09

0,07

III

0,65

1,30

0,55

-0,07

0,02

0,75

0,35

20

0,3

0,5

0,06

0,12


Пояснения к табл. 1: ? – корреляционное отношение полученной зависимости; ?  среднеквадратическое отклонение; n  число анализируемых случаев; I, II  протяженные зоны ствола высотой 20 м вверх и вниз, прилегающие к узлу сопряжения; III  зона ствола между проёмами сопряжения.


Наиболее значимыми в полученных уравнениях регрессии (в соответствии с частными коэффициентами корреляции) являются показатели: ?H/R и Ко (рис. 1), из которых первый показатель характеризует естественное НДС породного массива. Второй показатель отражает дополнительное повышение напряжений вследствие влияния очистных выработок, оконтуривающих предохранительные целики.

Между оценкой состояния и степенью изрезанности породного массива околоствольными выработками КВ установлена обратная статистическая связь (см. рис. 1). Таким образом, данный фактор в условиях влияния очистных работ обладает экранирующими свойствами, снижающими это воздействие.





Рис. 1. Степень влияния факторов на состояние сопряжения в зависимости от вида крепи: бет.одн. – бетон на одностороннем сопряжении; жб. – железобетон; бтн.+ к. – бетонит и кирпич



^ Четвертый раздел диссертации посвящен экспериментальным исследованиям деформирования массива горных пород в районах сопряжений стволов на глубоких горизонтах, выполненных на 12 наблюдательных станциях. Исследования включали маркшейдерские инструментальные измерения смещений в пространстве и во времени профильных линий реперов, расположенных в различных зонах сопряжений, а также визуальные наблюдения за состоянием крепи и армировки.

Наиболее представительные экспериментальные работы были выполнены в районе сопряжения с горизонтом 1235 м восточного воздухоподающего ствола (ВВПС № 2) АП "Шахта им. А. Ф. Засядько", находящегося в сложных горно-геологических и геомеханических условиях, характеризующихся большой глубиной; слабыми вмещающими породами (Rc = 20...40 МПа). Кроме того, ствол в районе сопряжения пройден по выработанному пространству пласта m3, на границе с которым велись очистные работы. В период выполнения исследований интенсивно проводились околоствольные выработки, осуществлялась их сбойка со стволом. Неоднократно выполнялись ремонтные работы на различных участках сопряжения вследствие повреждений крепи и армировки.

Первые повреждения крепи в районе сопряжения (рис. 2) произошли под воздействием проводимой лавы на границе с выработанным пространством пласта m3 (на расстоянии 350 м от ствола), выразившееся в активизации процесса уплотнения старых очистных работ.

В дальнейшем в районе сопряжения отмечались повреждения крепи и армировки, вызванные проведением вначале грузовой ветви горизонта 1235 м, а затем порожняковой (см. рис. 2). На рис. 3 показано влияние тех же выработок на состояние ствола между проемами сопряжения.





Рис. 2. Развитие повреждений крепи ствола на участке 1175  1188 м:  появление повреждений крепи (влияние очистных работ);  влияние проведения грузовой ветви;  влияние проведения порожняковой ветви.





Рис. 3. Развитие повреждений крепи на узле сопряжения горизонта 1235 м: 1, 2, 3, 4  появление повреждений крепи (влияние проведения грузовой ветви);  влияние сбойки грузовой и порожняковой ветви;  последействие сбоек.


Результаты инструментальных наблюдений по профильным линиям реперов в стволе и на горизонтальных участках сопряжения представлены на рис. 4 – 6, из которых видно следующее.

При расстоянии между проводимой выработкой и стволом более 20 м, крепь протяженной части ствола выше сопряжения испытывала небольшое вертикальное сжатие (рис. 4). В дальнейшем при сокращении расстояния процесс сжатия сменился на растяжение, которое особенно интенсивно проявилось на узле сопряжения.



Рис. 4. Абсолютные вертикальные смещения крепи ствола (U) относительно глубины (Н=1173 м)


При сбойке выработки со стволом скорости деформаций растяжения крепи в узле сопряжения достигали 0,27 Ч 10-3 в неделю (рис. 5) и продолжали возрастать в течение двух недель, составив 0,30 Ч 10-3 в неделю. Именно в этот период зафиксировано существенное ухудшение состояния крепи на этом участке. Спустя два месяца после сбойки скорости смещений стабилизировались (см. рис. 5).




Рис. 5. График приращений скоростей вертикальных деформаций крепи ствола между проемами сопряжения: 1 – кривая аппроксимации по результатам измерений в стволе; 2 – то же с дополнительными измерениями с горизонтальной части сопряжения.

При сбойке порожняковой ветви со стволом в противоположной грузовой ветви сопряжения вертикальные смещения (?) у контура ствола составили 25 мм, а на расстоянии L = 23 м от ствола не превышали точности измерений (рис. 6).




Рис. 6. График деформирования горизонтальной зоны сопряжения


В результате экспериментальных исследований в районах сопряжений в сложных горно-геологических и геомеханических условиях установлено следующее.

Вертикальные смещения носят неравномерный, знакопеременный характер, что свидетельствует о последовательном развитии геомеханических процессов в районах сопряжений. Наиболее интенсивные деформации и соответственно нарушения крепи происходят непосредственно на участке между проемами сопряжения и в 2...5 раз больше по сравнению с протяженной частью ствола. Скорости смещений крепи ствола достигают 0,5...1 мм/месяц и выше. Скорости боковых смещений примыкающих к стволу выработок достигают 4 мм/месяц и выше (осевые смещения в 1,5...3 раза меньше). При этом имеют место повреждения крепи.

Воздействие проведения выработок на ствол начинает сказываться с 40...50 м, а наиболее интенсивно проявляется с 20 м. В этот период происходит возрастание нагрузок на крепь сопряжения ствола от 0,2 МПа до 0,7...1,4 МПа. По вертикали зона влияния распространяется от свода сопряжения на 30 м для крепи, а для армировки на 40 м (по существующим положениям вертикальная зона влияния сопряжения 20 м).

После сбойки горизонтальная зона влияния сопряжения составляет около 20 м от контура ствола. Время последействия сбойки 2...3 месяца, при этом первые две недели продолжается интенсивная стадия деформирования породного массива: скорости вертикальных деформаций крепи достигают порядка 0,3 Ч 10-3 в неделю.


^ В пятом разделе разработаны предложения по способам обеспечения устойчивости сопряжений стволов. Состав способов и средств их охраны и поддержания, порядок применения для обеспечения устойчивости объектов приведены в структурно-логической схеме (рис. 7), как на стадии их проектирования, так и при эксплуатации.



Рис. 7. Структурно-логическая схема применения способов и средств охраны и поддержания сопряжений стволов на глубоких горизонтах


При проектировании решается задача выбора рациональных способов и средств расположения, охраны и поддержания сопряжений стволов, их параметров, обеспечивающих устойчивость сопряжений в течение всего периода их эксплуатации. При этом изначально выбор места расположения сопряжения осуществляют исходя из технологических соображений, рассчитывая при этом оценку его состояния. Если она не превышает допустимой оценки, принимают данный вариант. В случае превышения допустимой оценки, переносят место расположения сопряжения в возможных пределах, добиваясь минимальной оценки состояния. Если при выборе места расположения сопряжения допустимая оценка состояния не выдерживается, применяют одно или несколько мероприятий (см. рис. 7), обеспечивающих устойчивость сопряжений. Вид мероприятий, их количество, объем применения выбирают исходя из технико-экономического расчета по минимуму затрат.

Автором разработаны следующие организационно-технические мероприятия: выбор расположения выработок, сводящий к минимуму их взаимовлияние; регламент проведения и крепления выработок во времени и пространстве в районах сопряжений стволов; предварительное использование временной крепи в выработках в сложных геомеханических условиях; определение рациональной величины рассечек сопряжений ствола, выполненных при его проходке, регламент сбоек.

При эксплуатации решаются оперативные вопросы, связанные с охраной и поддержанием сопряжений в случаях: повреждений крепи или армировки; проведения выработок в зоне влияния на сопряжения; изменения порядка ведения очистных работ в зоне влияния на сопряжения и т. д., применяя при этом одно или несколько мероприятий (см. рис. 7), сверяя при этом расчетную оценку состояния с допустимой.

Выводы



Диссертация является завершенной научно-исследовательской работой, в которой на основе впервые установленных закономерностей деформирования вмещающего сопряжения стволов массива горных пород и разработки на этой основе предложений по способам охраны и поддержания решена актуальная научно-техническая задача геомеханического обеспечения устойчивости сопряжений глубоких горизонтов.

Основные научные и практические результаты работы состоят в следующем.

  1. Впервые получены количественные оценки состояний сопряжений по зонам и видам крепи, определяющиеся экспоненциально-степенной зависимостью от следующих комплексных факторов: геомеханического показателя (?H/R); степени влияния очистных выработок; степени изрезанности массива околоствольными выработками и структурного показателя состава вмещающих пород. Достоверность их подтверждается представительным объемом экспериментальных данных, включающих результаты обследования более 500 зон сопряжений стволов, а также высокими корреляционными отношениями (0,6...0,9) в полученных уравнениях.

  2. Исследованиями установлено, что наиболее значимыми в полученных зависимостях являются показатели: геомеханический и влияния очистных работ, из которых первый характеризует естественное НДС породного массива. Второй показатель отражает дополнительное повышение напряжений вследствие влияния очистных выработок, оконтуривающих предохранительные целики. Влияние степени изрезанности массива и структурного показателя состава вмещающих пород зависит от типа крепи и геомеханической обстановки.

  3. Впервые установлено, что при проведении выработок в районах сопряжений глубоких горизонтов в условиях неустойчивых пород образуются динамические зоны влияния размером по вертикали до 40 м, что в 1,5...2 раза больше стационарных. После сбойки выработки со стволом процесс деформирования околоствольного массива длится в течение 2...3 месяцев, при этом первые 2 недели продолжается активная стадия.

  4. Установлено, что в районе сопряжения в сложных геомеханических условиях смещения крепи по вертикали носят неравномерный и знакопеременный характер и между проемами в 2...5 раз больше по сравнению с протяженной частью.

  5. Разработана структурно-логическая схема применения способов и средств охраны и поддержания сопряжений стволов на глубоких горизонтах, включающая: выбор места расположения сопряжения при проектировании с учетом оценки его состояния и сопоставления с допустимой; в случае превышения расчетной оценки над допустимой, применение мероприятий по обеспечению устойчивости сопряжений.

  6. Разработаны автором организационно-технические мероприятия по обеспечению устойчивости сопряжений, которые включают: выбор расположения выработок, сводящий к минимуму их взаимовлияние; регламент проведения и крепления выработок во времени и пространстве в районах сопряжений стволов; предварительное использование временной крепи в выработках в сложных геомеханических условиях; определение рациональной величины рассечек сопряжений ствола, выполненных при его проходке, регламент сбоек.

  7. Результаты проведенных исследований использованы при разработке трех нормативно-методических документов, а также более 50 рекомендаций по обеспечению устойчивости сопряжений стволов, выполненных по заказам предприятий угольной промышленности. Экономический эффект от внедрения результатов работы составляет около 500 тыс. грн. для одного сопряжения ствола.



^

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ СОИСКАТЕЛЯ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ





  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, 7Е21F17/00, Е21D5/00. 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) Е21D1/00, Е21D5/00. 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) Е21D 1/00, Е21D 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.


^ Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве: [1] – организация и проведение экспериментальных исследований, анализ и обобщение их результатов; [2, 8  10, 12, 13] – анализ и научная интерпретация результатов исследований влияния процесса деформирования массива горных пород на состояние сопряжений стволов; 4 – постановка задач, анализ состояния сопряжений стволов, установление зависимости состояния сопряжений стволов от влияющих факторов; 5, 7  разработка методики, постановка задач исследований, установление параметров проявления горного давления на сопряжения стволов с целью определения их особенностей и закономерностей, анализ и обобщение полученных результатов.

АНОТАЦІЯ



Колдунов І. О. Геомеханічне забезпечення стійкості сполучень вертикальних стволів на глибоких горизонтах. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.09 – "Геотехнічна і гірнича механіка". Державний вищий навчальний заклад "Національний гірничий університет", Дніпропетровськ, 2010.

Дисертація присвячена актуальному науково-прикладному завданню вдосконалення способів і засобів охорони і підтримання сполучень стволів на глибоких горизонтах з метою забезпечення їх надійної експлуатації на весь термін служби.

На основі обстеження станів 156 (понад 500 зон) сполучень стволів за умов пологого і похилого залягання пластів були встановлені основні причини пошкоджень кріплення й армування. Одержані кількісні оцінки стану сполучень за зонами та видами кріплення від комплексу факторів, які впливають, що включають практично всі геомеханічні, гірничо-геологічні і гірничотехнічні умови охорони і підтримання сполучень.

При проведенні візуальних та інструментальних досліджень в районах сполучень стволів на 12 спостережних станціях визначені просторові і часові параметри деформування кріплення і породного масиву, при яких виключається вплив приствольних виробок на ствол під час їх проведення, збійки і перекріплення.

Результати виконаних досліджень з'явилися науковою базою для розробки структурно-логічної схеми застосування способів і засобів охорони і підтримання сполучень стволів на глибоких горизонтах, що 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.

Ключові слова: сполучення вертикальних стволів, глибокі горизонти, охорона і підтримання, деформування приствольного масиву гірських порід, очисні і приствольні виробки, оцінка стану, забезпечення стійкості.

АННОТАЦИЯ



Колдунов И. А. Геомеханическое обеспечение устойчивости сопряжений вертикальных стволов на глубоких горизонтах. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.09 – "Геотехническая и горная механика". Государственное высшее учебное заведение "Национальный горный университет", Днепропетровск, 2010.

Диссертация посвящена актуальной научно-прикладной задаче совершенствования способов и средств охраны и поддержания сопряжений стволов на глубоких горизонтах с целью обеспечения их устойчивой эксплуатации на весь срок службы.

На основе обследования состояний 156 (более 500 зон) сопряжений глубоких стволов в условиях пологого и наклонного залегания пластов были установлены основные причины повреждений крепи и армировки. Впервые установлены зависимости состояния сопряжений по зонам и видам крепи от комплекса влияющих факторов, включающих практически все геомеханические, горно-геологические и горнотехнические условия охраны и поддержания сопряжений.

Проведены инструментальные исследования в районах сопряжений стволов на 12 наблюдательных станциях с целью установления закономерностей деформирования крепи и породного массива. В результате определены пространственные и временные параметры, при которых исключается влияние околоствольных выработок на ствол при их проведении, сбойке и перекреплении. Это дает возможность установить рациональную последовательность проведения околоствольных выработок в период строительства горизонта.

Результаты проведенных исследований явились научной базой для разработки структурно-логической схемы применения способов и средств охраны и поддержания сопряжений стволов на глубоких горизонтах, как при проектировании, так и при эксплуатации.

При проектировании решается задача выбора рациональных способов и средств расположения, охраны и поддержания сопряжений стволов, их параметров, обеспечивающих устойчивость сопряжений в течение всего периода их эксплуатации. При этом изначально выбор места расположения сопряжения осуществляют исходя из технологических соображений, рассчитывая при этом оценку его состояния по впервые полученным зависимостям от влияющих факторов. Если она не превышает допустимой оценки, принимают данный вариант. В случае превышения допустимой оценки, переносят место расположения сопряжения в возможных пределах, добиваясь минимальной оценки состояния. Если при выборе места расположения сопряжения допустимая оценка состояния не выдерживается, применяют одно или несколько мероприятий, обеспечивающих устойчивость сопряжений. Вид мероприятий, их количество, объем применения выбирают исходя из технико-экономического расчета по минимуму затрат.

Разработаны автором следующие организационно-технические мероприятия: выбор расположения выработок, сводящий к минимуму их взаимовлияние; регламент проведения и крепления выработок во времени и пространстве в районах сопряжений стволов; предварительное использование временной крепи в выработках в сложных геомеханических условиях; определение рациональной величины рассечек сопряжений ствола, выполненных при его проходке, регламент сбоек.

При эксплуатации решаются оперативные вопросы, связанные с охраной и поддержанием сопряжений в случаях: повреждений крепи или армировки; проведения выработок в зоне влияния на сопряжения; изменения порядка ведения очистных работ в зоне влияния на сопряжения и т. д., применяя при этом одно или несколько мероприятий, сверяя оценку состояния с допустимой.

Экономический эффект от внедрения результатов работы составляет около 500 тыс. грн. для одного сопряжения ствола.

Ключевые слова: сопряжения вертикальных стволов, глубокие горизонты, охрана и поддержание, деформирование околоствольного массива горных пород, очистные и околоствольные выработки, оценка состояния, обеспечение устойчивости.

^

THE SUMMARY



Kоldunov I. A. Geomechanical maintenance of vertical shaft linking stability at deep levels.   Manuscript.

Thesis for scientific degree of Cand. Tech. Sci. by specialty 05.15.09 – Geotechnical and rock mechanics. State higher educational establishment "National Mining University", Dnepropetrovsk, 2010.

The thesis deals with the urgent scientific-applied problem to improve methods and means of protection and maintenance of shaft linking at deep levels with the aim of ensuring their stable operation during the whole life cycle.

Based of the state survey of 156 shaft linkings (more than 500 sections) in conditions of flat and inclined occurrence of seams the main causes of the damage of shaft lining and equipment were determined. Quantitative estimates of the state of linking by sections and types of lining versus a set of influencing factors including practically the whole of geo-mechanical, geological and mining conditions of protection and maintenance of linking are obtained.

Instrumental survey and visual observation were conducted in the areas of shaft linking in order to determine regularities of lining and rock mass deformation. As a result space and time parameters at which impact of shaft siding on the shaft is excluded in drivage, linkage and re-lining are determined.

The outcomes of the investigations were scientific backgrounds for development of the structural log-frame of using methods and means for protection and maintenance of shaft linking at deep levels that consists in selection of linking location during planning, taking into account estimate of its state, and comparison with the allowable one. If calculated estimate exceeds the allowable one, measures for maintenance of linking stability shall be used.

Key words: linking of vertical shafts, deep levels, protection and maintenance, deformation of shaft rock mass, production workings and shaft siding, state estimation, ensuring stability.


Колдунов Игорь Александрович


ГЕОМЕХОНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ сопряжений

вертикальных стволов НА глубоких ГОРИЗОНТАХ


(Автореферат)


Підписано до друку 07.02.2011 р. Формат 60Ч84 1/16.

Ум. друк. арк.. 0,9. Друк лазерний. Зам. № 345 Накл. 120 прим.


Надруковано в ТОВ "Цифрова типографія"

Адреса: м. Донецьк, вул. Челюскінців, 291а, тел.: (062) 388-07-31, 388-07-30





Схожі:

Министерство образования и науки, молодежи и спорта украины государственное высшее учебное заведение национальный горный университет iconМинистерство образования и науки, молодежи и спорта украины министерство образования и науки российской федерации государственное высшее учебное заведение «донецкий национальный технический университет»
Ректор Донецкого национального технического университета, д т н., проф., председатель оргкомитета
Министерство образования и науки, молодежи и спорта украины государственное высшее учебное заведение национальный горный университет iconМинистерство образования и науки украины министерство образования и науки российской федерации государственное высшее учебное заведение «донецкий национальный технический университет»
Ректор Донецкого национального технического университета, д т н., проф., председатель оргкомитета
Министерство образования и науки, молодежи и спорта украины государственное высшее учебное заведение национальный горный университет iconМинистерство образования и науки, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ министерство образования и науки, молодежи и спорта арк республиканское высшее учебное заведение
Створення та використання викладачами і студентами мультимедійних програмних засобів є одним з напрямків інтенсифікації навчання,...
Министерство образования и науки, молодежи и спорта украины государственное высшее учебное заведение национальный горный университет iconМинистерство образования и науки, молодежи и спорта Украины
Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины, Севастопольский национальный технический университет (Севнту) с 23 по...
Министерство образования и науки, молодежи и спорта украины государственное высшее учебное заведение национальный горный университет iconМинистерство образования и науки, молодежи и спорта украины национальный университет физического воспитания и спорта Украины
Работа выполнена в Национальном университете физического воспитания и спорта Украины, Министерство образования и науки, молодежи...
Министерство образования и науки, молодежи и спорта украины государственное высшее учебное заведение национальный горный университет iconМинистерство образования и науки, молодежи и спорта украины национальный университет физического воспитания и спорта украины шериф сархан
Детерминанты психологической сплоченности в спортивной команде (на примере футбола)
Министерство образования и науки, молодежи и спорта украины государственное высшее учебное заведение национальный горный университет iconМинистерство образования и науки, молодежи и спорта украины национальный университет физического воспитания и спорта украины шериф сархан
Детерминанты психологической сплоченности в спортивной команде (на примере футбола)
Министерство образования и науки, молодежи и спорта украины государственное высшее учебное заведение национальный горный университет iconМинистерство образования и науки, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ министерство образования и науки, молодежи и спорта автономной республики крым рвуз «крымский гуманитарный университет» (г. Ялта) институт экономики и управления контрольная робота по дисциплине

Министерство образования и науки, молодежи и спорта украины государственное высшее учебное заведение национальный горный университет iconМинистерство образования и науки, молодежи и спорта украины национальный университет физического воспитания и спорта Украины
Совершенствование подготовки в соревновательном периоде квалифицированных спортсменов в современном пятиборье с учетом комбинированного...
Министерство образования и науки, молодежи и спорта украины государственное высшее учебное заведение национальный горный университет iconНациональный университет физического воспитания и сПорта Украины Гридько Людмила Анатолиевна
Работа выполнена в Национальном университете физического воспитания и спорта Украины, Министерство образования и науки, молодежи...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи