Геомеханічні основи управління зоною зруйнованих порід навколо виробок для забезпечення їх стійкості на великих глибинах

Міністерство освіти і науки України

Донецький національний технічний університет

 

КАСЬЯН Микола Миколайович

 

УДК 622. 268: 622. 13

 

 

Спеціальність 05. 15. 02 – «Підземна розробка родовищ корисних копалин»

 

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

 

Донецьк – 2002

 

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі розробки родовищ корисних копалин Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України (м. Донецьк).

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Зборщик Михайло Павлович, професор кафедри гірничої геомеханіки Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Усаченко Борис Миронович, завідувач відділом механіки гірських порід Інституту геотехнічної механіки НАН України (м. Дніпропетровськ) доктор технічних наук, професор Назимко Віктор Вікторович, завідувач лабораторії комп’ютерного та фізичного моделювання незворотних процесів Донецького гірничого інституту Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України (м. Донецьк) доктор технічних наук, професор Кузьменко Олександр Михайлович, професор кафедри підземної розробки родовищ Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

 

Актуальність проблеми. Ефективна робота вугільних шахт істотно залежить від стійкості гірничих виробок, що підтримуються. Щорічно на шахтах України проходиться 1, 2-2, 0 тис. км і підтримується до 16 тис. км виробок. Незважаючи на те, що біля 80% виробок закріплені металевим податливим кріпленням, щорічні обсяги перекріплення складають більше 10%. На великих (600-1000 м і більше) глибинах розробки навколо підтримуваних виробок формується зона зруйнованих порід (ЗЗП), змінюються інтенсивність і характер проявів гірничого тиску. Зростання ЗЗП пов’язано зі значними зміщеннями порід контура виробок, що часто перевищують величину технологічної податливості кріплення. Спроби покращити стан виробок за рахунок підвищення несучої спроможності кріплення і збільшення щільності його установки не дали відчутних результатів.

Наявні ефективні способи забезпечення стійкості виробок, засновані на створенні навколо них розвантаженої (зруйнованої) і зміцненої вантажонесучої оболонки, не отримали широкого розповсюдження на шахтах України. Це пов’язано з багатоопераційністю робіт і великими витратами матеріалів, що використовуються при суцільному омонолічуванні штучно зруйнованих навколишніх порід. Разом з тим напрямок забезпечення стійкості виробок за рахунок підвищення несучої спроможності навколишніх порід є вельми перспективним і вимагає свого подальшого розвитку.

Фронт руйнування порід, що посувається від контура в глибину масиву і кріплення виробки взаємодіють через вже наявну зруйновану область порід. Закономірності і особливості такої взаємодії до нинішнього часу вивчені недостатньо. Дослідження цього механізму є науковою основою пошуку маловитратних шляхів розробки способів і засобів активного управління зруйнованими породами з метою істотного підвищення стійкості виробок.

Зв'язок теми дисертації з планом основних робіт університету. Протягом майже чотирьох останніх десятиріч одним з головних наукових напрямків Донецького національного технічного університету (ДонНТУ) залишається пошук нових і вдосконалення існуючих способів, технологій і засобів охорони і підтримання гірничих виробок глибоких шахт. Дисертація є складником цих досліджень (номера держреєстрації тем: 01870067248; 01890001372; 0195U006594; 0196U013105), в яких автор приймав участь як виконавець, відповідальний виконавець, науковий керівник.

Мета роботи. Створення геомеханічних основ управління зоною зруйнованих порід навколо підтримуваних виробок для забезпечення їх стійкості на великих глибинах.

Об’єктом досліджень є геомеханічні процеси в порідному масиві, що вміщує гірничі виробки.

Предметом досліджень є способи управління станом зруйнованих порід навколо гірничих виробок на великих глибинах.

Методи досліджень. Для досягнення поставленої мети в роботі використані такі методи: аналіз і узагальнення даних літературних джерел по дослідженням проявів гірничого тиску у виробках на глибоких горизонтах; шахтні інструментальні спостереження за процесом деформування і зрушення гірничих порід за допомогою контурних і глибинних реперів; лабораторні дослідження на структурних моделях механізму передачі навантаження на кріплення зоною зруйнованих порід при просуванні фронту руйнування в глиб масиву; аналітико-експериментальний метод прогнозу розмірів ЗЗП, що базується на положеннях механіки крихкого руйнування; промислові іспити розроблених способів охорони виробок.

Ідея роботи полягає у використанні особливостей і закономірностей поведінки порід в процесі їх руйнування і формування навантаження на кріплення для обґрунтування способів і засобів забезпечення стійкості виробок.

Основні наукові положення, що виносяться на захист і їх новизна

Новий метод обробки і подання результатів натурних спостережень по глибинних станціях за зміщенням порід навколо виробок, який відрізняється тим, що зміщення реперів розглядається як дискретний процес і їх величина визначається за періоди між попереднім і поточним замірами по всьому ланцюгу установки реперів. Це дозволяє простежити динаміку деформування порід всередині ЗЗП в період її формування.

Вперше експериментально встановлені особливості механізму формування ЗЗП навколо виробок, що полягають в утворенні і переміщенні від фронту руйнування порід до контуру виробки хвиль знакозмінних деформацій зруйнованого масиву, які визначають характер його взаємодії з кріпленням.

Вперше встановлений ефект фокусування тиску на кріплення в процесі передачі навантаження від фронту руйнування порід до контуру виробки. При цьому величина коефіцієнта передачі навантаження залежить від розміру ЗЗП, величини породних фрагментів і рівня навантаження на її зовнішньому кордоні. Зміна співвідношення радіусу зони до радіусу