Обоснование параметров крепей горизонтальных горных выработок в сложных геомеханических условиях

Актуальность работы. Основными направлениями развития угольной промышленности Вьетнама на 2010+2015 годы и на период до 2025 года предусмотрено довести добычу угля до 80−85 млн. тонн в год. [39, 42, 50].

Основной прирост добычи будет осуществлен за счёт реконструкции действующих шахт. Ежегодно глубина разработки угольных шахт возрастает: средняя глубина шахт в 2010 г. -100 мв 2015 г. -300 мв 2025 г. -600 м. Горногеологические условия, в которых сооружаются капитальные горные выработки, постоянно усложняются (увеличение глубины, изменение прочностных свойств горных пород).

Основными видами крепи горных выработок шахт Хэтамского угольного бассейна являются металлическая крепь из СВП и металлобетон. Ежегодно около 27% от общей протяженности выработок, закрепленных крепью из СВП, деформируются и требуют перекрепления, что приводит к большим экономическим затратам.

В сложных геомеханических условиях, под которыми следует понимать такие условия, при которых при проведении выработок в зависимости от типа вмещающих пород происходят образование значительных областей разрушения или не затухающие во времени пластические деформации породного массива [31, 52], отмечаются снижение скорости проходки и увеличение затрат на проведение и ремонт выработок, что обусловлено главным образом интенсивной трещиноватостью и смещениями породного массива.

Хэтамское месторождение имеет 17 угольных пластов, в том числе 8 угольных пластов имеют неустойчивые мощности и 14 угольных пластов, в которых имеются сложные переслаивания, вмещающих горных пород. Эти факторы осложняют проходку и крепление горных выработок, затраты на крепление и поддержание горных выработок постоянно возрастают. В настоящее время вопросы выбора типа и конструкции крепи регламентируются одним нормативным документом — это альбом типовых сечений, который разработан для глубины до 200 м без каких-либо методов расчета и методики определения их параметров. Таким образом, обоснование прогрессивных конструкций и параметров крепей, обеспечивающих устойчивость горных выработок в сложных геомеханических условиях, является актуальной научной задачей.

Автор при выполнении результатов своих исследовании использовал результаты экспериментальных работ ОАО «Кузнишахтострой» в данном направлении. Исследования автора позволили ему определить область применения как известных, так и разработанных новых конструкций крепей и методик определения их параметров для крепления горных выработок в сложных горно-геологических условиях.

Комплекс выполненных автором исследований включает в себя аналитические и натурные исследования, анализ и учет результатов исследований в МГГУ, Кузнишахтострой, ВНИМИ и других исследователей в области крепления горных выработок.

Цель работы состоит в обосновании параметров крепей горизонтальных горных выработок в сложных геомеханических условиях на основе установления закономерностей деформирования системы «крепь-массив» для обеспечения устойчивости горных выработок при снижении материальных затрат на их крепление.

Идея работы заключается в комплексном учете факторов (дилатансии, глубины заложения горных выработок, конструктивных характеристик крепей, физико-механических свойств пород), влияющих на выбор параметров крепей и технологию их возведения при строительстве горизонтальных горных выработок в сложных геомеханических условиях месторождения Хэтам-Куангнинь, на основе изучения взаимодействия крепей из СВП с элементами их усиления и массивом горных пород.

Методы исследования. При выполнении работы использован комплексный метод исследований, включающий методы математической статистики и теории вероятностей, корреляционный и регрессионный анализ, экспериментальные натурные исследования, применение современных методов компьютерного моделирования породного массива, находящегося под влиянием горно-геологических факторов, осложняющих условия поддержания горных выработок.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

— установлено, что в исследуемом диапазоне условий напряжения на контакте системы «крепь-массив» увеличиваются в среднем в 2,0 раза, а при напряжениях на контакте системы «крепь-массив», равных (1,0 — 1,5)уН, деформация горных пород происходит без образования зоны неупругих деформаций вокруг выработки;

— установлено, что начальные смещения породного контура до момента ввода крепи в работу не превышают 43 мм, а максимальные ожидаемые смещения породного контура к моменту установления статического равновесия в системе «крепь-массив» могут достигать 810 мм и стабилизируются через 60 110 суток на расстоянии 4−5 радиусов от контура выработки;

— установлено, что с учетом явления дилатансии горных пород в допредельной стадии деформирования, смещения на контуре горных выработок возрастают, но не превышают 20% по сравнению с расчетными смещениями без учета эффекта дилатансии, а в запредельной стадии деформирования смещения возрастают в среднем на 85%, однако при увеличении жесткости крепи общие смещения системы «крепь-массив» снижаются на 35−50%.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются:

— корректной постановкой задачи и использованием апробированных методов численного моделирования;

— значительным объемом экспериментальных исследований по определению смещений контура закрепленных выработок на 9 замерных станциях;

— использованием опыта ведущих зарубежных фирм в области проектирования и расчета крепей горных выработок;

— сопоставлением аналитических результатов исследований с натурными наблюдениями и их совпадением на 85−90%.

Научная новизна работы состоит в установлении закономерностей комплексного влияния факторов (дилатансии, конструктивных характеристик крепей, глубины заложения выработок, геомеханических свойств массива горных пород) на напряженно-деформированное состояние системы «крепьмассив», построении функции величины начальных смещений породного контура в зависимости от основных исследуемых параметров, построении функции прогнозирования ожидаемых смещений системы «крепь-массив» вокруг выработок, позволяющих определить конструктивно-технологические параметры крепей горных выработок в сложных геомеханических условиях месторождения Хэтам-Куангнинь.

Научное значение работы состоит в получении зависимостей по определению параметров совместного деформирования массива горных пород и крепи выработок на основе аналитических и натурных исследований в сложных геомеханических условиях.

Практическое значение работы заключается в разработке «Рекомендаций по выбору конструктивных параметров крепей горных выработок в сложных геомеханических условиях», позволяющих существенно сократить материальные затраты.

Реализация выводов и рекомендаций. Разработанная методика выбора параметров крепей применяется для проектирования горных выработок на шахтах месторождения Хэтам-Куангнинь.

Апробация работы. Основные положения докладывались на международном научном симпозиуме «Неделя горняка — 2013», обсуждались на кафедре СПСиШ МГГУ в 2011, 2012, 2013 г.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 6 печатных работ, из них 4 работы в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, содержит список литературы из 62 наименований, 52 таблицы, 78 рисунков.

Выводы по главе 4.

1. Геомеханические исследования в зависимости от глубины заложения горных выработок проводились для определенного диапазона горногеологических условии, которые являются областью применения разработанной методики. Диапазон изменения горно-геологических условий при проведении геомеханических исследований представлен в табл. 4.2.

2. Методика предназначена для решения практических инженерных задач, связанных с оценкой устойчивости выработки, закрепленной аркой крепи при строительстве горных выработок. Методика позволяет:

— оценивать влияние глубины заложения горной выработки, площади поперечного сечения в свету и прочностных свойств горных пород на нагрузку на крепь горных выработок и смещения массива горных пород;

— определить величина зоны разрушенных горных пород и прогнозирование ожидаемых смещений массива горных пород. увеличивать несущую способность и податливость крепи увеличением ее толщины за счет усиления повторного набрызгбетонаобеспечивать снижение стоимости строительства, а также повышение безопасности горно-проходческих работ.

3. Разработанные рекомендации позволяют в изменяющихся горногеологических условиях выбрать рациональный тип конструкции крепи, позволяющей существенно сократить материальные и трудовые затраты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой решена научная задача по обоснованию параметров крепей горизонтальных горных выработок в сложных геомеханических условиях на основе установления закономерностей деформирования системы «крепь-массив», позволяющих обеспечить устойчивость горных выработок при снижении материальных затрат на их крепление, что вносит вклад в ускорение научно-технического прогресса в шахтном строительстве в условиях месторождения Хэтам-Куангнинь Вьетнама.

Основные научные и практические результаты работы, полученные лично автором, заключаются в следующем:

1. Наличие слабых сильнотрещиноватых, обводненных горных пород и высокой влажностью атмосферы, оказывающих влияние на устойчивость горных выработок, позволяет горно-геологические условия месторождения Хэтам-Куангнинь отнести к сложным.

2. Установлено, что в последние годы большинство планируемых к строительству горных выработок в месторождениях Вьетнама имеет площадь сечения от 13 до 18 м, среднюю глубину заложения от 300 до 600 м, сложено слабыми породами с пределом прочности на одноосное сжатие от 20 до 50 МПа.

3. В исследуемых условиях напряжения на контакте системы «крепь-массив» увеличиваются в среднем в 2,0 раза, а при напряжениях на контакте системы «крепь-массив», равных (1,0 — 1,5)уН, деформация горных пород происходит без образования зоны неупругих деформаций вокруг выработки.

4. Методами численного моделирования проведены геомеханические исследования напряженно-деформированного состояния массива горных пород и выявлены математические зависимости, позволяющие спрогнозировать величину начальных и максимальных смещений породного массива вокруг горизонтальных горных выработок, которые составляют 43 и 923 мм соответственно.

5. Шахтными экспериментальными исследованиями в натурных условиях получена зависимость прогнозирования ожидаемых смещений породного контура крепи выработок к моменту установления статического равновесия в системе «крепь-массив» в зависимости от прочностных свойств горных пород, глубины заложения и размеров поперечного сечения выработок.

6. В условиях больших смещений породного массива и нагрузок на крепь необходимы податливые или жесткие конструкции с повышенной несущей способностью. Наиболее рациональным способом обеспечения устойчивости горных выработок является применение гибких технологий крепления выработок на основе существующих базовых конструкций с возможностью их оперативного усиления в процессе строительства и эксплуатации. В качестве существующих базовых конструкций крепей целесообразно использовать существующие металлические крепи из СВП.

7. Разработанная «Методика.» позволяет при проектировании осуществлять выбор типа крепи и определить ее параметры в сложных геомеханических условиях, а практические рекомендации по креплению горизонтальных горных выработок обеспечивать их устойчивость в процессе строительства и эксплуатации.