Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ КРЕПИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК

Прозорова Ю.А. 1
1 Шахтинский институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М. И. Платова»
Для выявления механизма взаимодействия средств крепления и охраны подготовительных выработок целиками угля были проведены исследования НДС массива горных пород в окрестности подготовительной выработки методом конечных элементов. При исследовании напряженно деформированного состояния горных пород была принята теория прочности Кулона – Мора, также известная, как теория внутреннего трения. Методикой предусматривалось исследование влияния ширины целика угля и типа крепи подготовительной выработки на интенсивность напряжений и размер зоны неупругих деформаций (ЗНД) в кровле выработки. Была выявлена зависимость интенсивности напряжений в кровле подготовительной выработки от типа крепи и способа ее охраны целиками угля различной ширины на глубине заложения 500 м, а также зависимость влияния ширины целика угля на интенсивность эквивалентных напряжений в кровле подготовительной выработки на различной глубине заложения, в условиях работы анкерно-рамной крепи. Для оценки влияния работы различных типов крепи на ЗНД была получена зависимость влияния ширины целика на величину ЗНД в кровле подготовительной выработки, закрепленной анкерной, рамной и анкерно-рамной крепью. По данным исследований определились наиболее эффективные типы крепи в условиях охраны подготовительных выработок целиками угля.
подготовительная выработка
зона неупругих деформаций
целик
охрана выработки
интенсивность напряжений
1. Зинкевич О.К. Метод конечных элементов в технике: Ил. – М., 1968. – 240с.
2. Кошелев К.В., Петренко Ю.А., Новиков А.О. Охрана и ремонт горных выработок – М.: Недра, 1990. – 218с.
3. Руководство по управлению горным давлением на выемочных участках шахт Восточного Донбасса. – Шахты: Шахт НИУИ, 1992. – 214с.
4. Ткачев В. А., Беликов А.В. Прогнозирование смещений пород кровли в выемочных выработках за первым очистным забоем в зависимости от основных горно-геологических и горнотехнических факторов. – В сб. трудов: Научно-технические проблемы разработки месторождений полезных ископаемых, шахтного и подземного строительства. – Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГПУ (НПИ), 2006. – 352с.
5. Ткачев В. А., Страданченко С.Г., Привалов А.А. Эффективные способы крепления и поддержания горных выработок на основе ресурсосберегающих технологий. – Ростов н/Д: Изв. вузов Сев.-Кавк. регион, 2005.

Обеспечение устойчивости подготовительных выработок в зоне влияния очистных работ является одной из основных проблем повышения технико-экономической эффективности подземной угледобычи.

Научные исследования и практика работы шахт показывают, что современным требованиям экономически эффективной и безопасной угледобычи на шахтах Российского Донбасса, разрабатывающих пологие угольные пласты мощностью 0,85-2,0 м, наиболее полно отвечает технология сохранения выработок для повторного использования при применении эффективных анкерно-рамных крепей, крепей усиления при охране выработок угольными целиками малых размеров [4].

Для выявления эффективности работы средств крепления подготовительных выработок при рациональном выборе параметров их охраны были проведены исследования напряженно деформированного состояния (НДС) массива пород в окрестности подготовительной выработки методом конечных элементов (МКЭ) [1].

Для выявления механизма взаимодействия средств крепления и охраны подготовительных выработок целиками угля были проведены исследования НДС массива пород в окрестности подготовительной выработки методом конечных элементов.

При исследовании напряженно деформированного состояния горных пород была принята теория прочности Кулона – Мора, также известная, как теория внутреннего трения. Данная теория применяется для горных пород, у которых предел прочности на сжатие больше в 7 – 12 раз предела прочности на растяжение. Исследования выполнялись в условиях плоской упругой модели [5], что вполне приемлемо, так как сечение подготовительной выработки не меняется на расстоянии 5-6 пролетов выработки. Для исследования НДС вокруг подготовительной выработки из массива выделен участок с размером 40×40×1 м. Вычисления выполнялись для реальных горно-геологических условий отработки пласта i`2, разрабатываемого семью шахтами Российского Донбасса. Форма выработки – прямоугольная.

Интенсивность нагрузки на почву пласта за пределами охранной конструкции задавалась по формуле qmax= 0,2ρ·g·H·t,

где: ρ – средневзвешенная плотность вышележащей толщи пород принята 2661кг/м3;

g – ускорение свободного падения;

Н – глубина расположения выделенного участка, Н = 461 м;

t – толщина моделируемого участка, t = 1м.

Методикой предусматривалось исследование влияния ширины целика угля и типа крепи подготовительной выработки на интенсивность напряжений и размер зоны неупругих деформаций (ЗНД) в кровле выработки.

Исследования проводили для целиков угля шириной (м) – 4; 6; 10; 12; 15; 17,5. В расчетах использовалась анкерная крепь распределенного закрепления, рамная и анкерно-рамная крепи со всеми присущими им физико-механическими характеристиками.

На первом этапе исследований изучалось влияние типа крепи и размеров целика угля на интенсивность эквивалентных напряжений (Ne) в кровле подготовительной выработки [2], [3]. Интенсивность напряжений оценивалась как отношение величины эквивалентных напряжений (ИЭН) к площади кровли ограниченной шириной выработки, равной 5×3 м.

В табл. 1 приведены результаты расчетов ИЭН в кровле выработки в зависимости от типа крепи подготовительной выработки при ее охране целиками угля различной ширины на глубине заложения 500 м.

Таблица 1

Интенсивность напряжения в кровле выработки в зависимости от типа крепи подготовительной выработки при ее охране целиками угля различной ширины на глубине заложения 500 м

Вид крепи

без крепи

Ширина целика, l (м)

4

6

10

12

15

17.5

Интенсивность напряжений, Ne (×106 Па)

4.336

3.278

2.041

1.655

1.57

1.487

Вид крепи

рама

Ширина целика, l (м)

4

6

10

12

15

17.5

Интенсивность напряжений, Ne (×106 Па)

4.245

3.217

1.996

1.648

1.552

1.452

Вид крепи

анкера распределенного закрепления

Ширина целика, l (м)

4

6

10

12

15

17.5

Интенсивность напряжений, Ne (×106 Па)

4.294

3.184

2.037

1.655

1.489

1.422

Вид крепи

анкерно-рамная крепь

Ширина целика, l (м)

4

6

10

12

15

17.5

Интенсивность напряжений, Ne (×106 Па)

3.872

3.05

1.817

1.554

1.451

1.401

По данным табл. 1 построен график (рис. 1) зависимости интенсивности напряжений в кровле подготовительной выработки от типа крепи и способа ее охраны целиками угля различной ширины на глубине заложения 500 м.

Рис. 1. Зависимость интенсивности напряжений в кровле подготовительной выработки от типа крепи и способа ее охраны целиками угля различной ширины на глубине заложения 500 м

Анализ зависимости приведенной на рис. 1 показывает, что с увеличением ширины целика ИЭН уменьшается до ширины целика равной 12 м. Дальнейшее увеличение ширины целика не дает существенного снижения напряжений и может быть признано оптимальным в данных условиях.

Исследования показали, что уровень влияния ширины целика на ИЭН значительно выше, чем влияние типа крепления горной выработки, причем наибольшее влияние из исследуемых видов крепи оказывает анкерно-рамная крепь. Уровень ее влияния составляет примерно 10% от уровня влияния целиков угля.

Аналогичные исследования производились на глубине заложения (м) – 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000. В качестве крепи усиления использовалась анкерно-рамная крепь.

По результатам исследований построен график (рис. 2) зависимости влияния ширины целика угля на ИЭН в кровле подготовительной выработки на различной глубине заложения, в условиях работы анкерно-рамной крепи.

Рис. 2. Зависимость влияния ширины целика угля на интенсивность эквивалентных напряжений в кровле подготовительной выработки на различной глубине заложения, в условиях работы анкерно-рамной крепи

Анализ зависимости приведенной на рис. 2 показывает, что с увеличением ширины целика ИЭН уменьшается до ширины целика равной 12 м, причем почти не зависит от глубины заложения.

На втором этапе исследований изучалось влияние типа крепи и размеров целика угля на величину зоны неупругих деформаций кровли подготовительной выработки. Для этого рассматривалось влияние размера целика угля на величину зоны неупругих деформаций в кровле подготовительной выработки. За величину ЗНД принималась площадь ограниченная шириной выработки равной 5м и высотой 3м, в пределах которой коэффициент запаса прочности породы меньше единицы (согласно теории прочности Кулона-Мора).

На рис. 3 представлен график зависимости влияния ширины целика на величину ЗНД в кровле подготовительной выработки, закрепленной различными видами крепи.

Рис. 3. Зависимость влияния ширины целика и на величину ЗНД в кровле подготовительной выработки, закрепленной различными видами крепи

Как видно из рис. 3 наибольшее влияние на величину ЗНД оказывает анкерно-рамная крепь. Установлено так же, что интенсивность влияния ширины целика на ЗНД оказывает до 10 м, дальше с увеличением ширины целика более 10 м данное влияние уменьшается.

Если принять незакрепленную выработку за эталон, то отношение площади ЗНД в кровли незакрепленной выработки к площади ЗНД в кровле выработки усиленной анализируемой крепью может быть принято коэффициентом ее эффективности работы в массиве (Кэф). В табл. 1 представлены результаты исследований влияния ширины целика на эффективность работы крепи подготовительной выработки на глубине залегания 500 м.

Таблица 2

Результаты исследований влияния ширины целика на эффективность работы крепи подготовительной выработки на глубине залегания 500 м

Площади зон неупругих деформаций (м2)/ Кэф

Ширина целика, l (м)

Незакрепленная выработка

Анкерная крепь

Анкерно-рамная крепь

Рамная крепь

4

12.2/ 1

6.62/ 1.84

5.9/ 2.06

8.67/ 1.4

6

11.2/ 1

5.9/ 1.89

5.34/ 2.09

7.95/ 1.4

10

8.95/ 1

4.12/ 2.17

3.9/ 2.29

7.2/ 1.24

12

7.8/ 1

3.1/ 2.52

1.87/ 4.17

6.55/ 1.19

15

7.25/ 1

2.26/ 3.2

0.3/ 24.16

6.4/ 1.13

17.5

7.2/ 1

2.2/ 3.27

0.25/ 28.8

6.35/ 1.14

Анализ табл. 2 показывает, что наиболее эффективно работает анкерно-рамная крепь, так как коэффициент эффективности ее работы наиболее высокий.

Анализируя результаты в целом, следует отметить:

1. С увеличением ширины целика интенсивность эквивалентных напряжений (ИЭН) уменьшается и при ширине равной 12 м, дальнейшее его увеличение не значительно влияет на ИЭН.

2. Анализ влияния ширины целика на величину зоны неупругих деформаций (ЗНД) в кровле выработки показал, что его влияние сказывается до ширины равной 10 м, дальнейшее увеличение целика не эффективно.

3. Исследование влияния типа крепи на величину ЗНД в кровле выработки показали, что наиболее эффективной является анкерно-рамная крепь. При этом эффективность работы крепи определялась ее коэффициентом эффективности равным отношению площади ЗНД в кровли незакрепленной выработки к площади ЗНД в кровле выработки закрепленной анализируемой крепью.

Проведенные исследования позволяют выбрать наиболее эффективную крепь подготовительной выработки при ее охране целиками угля.

Рецензенты:

Игнатов В.Н., д.т.н., профессор, директор Научно-исследовательского и проектного института ООО "Недра", г. Новочеркасск;

Титов Н.В., д.т.н., профессор кафедры ТКГСМП Шахтинского института (филиал) ФГБОУ ВПО «Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) имени М. И. Платова», г. Шахты.


Библиографическая ссылка

Прозорова Ю.А. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ КРЕПИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1-1. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=17807 (дата обращения: 28.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074