Главная » Статьи » Авторефераты диссертаций

РАЗРАБОТКА ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И СПОСОБОВ СОЗДАНИЯ ПОРОДОНЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ РАЗГРУЖЕННЫХ ВЗРЫВОМ И УПРОЧНЕННЫХ ПОРОД В ГВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

 

Актуальность проблемы. Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года перед горнодобывающими отраслями промышленности поставлена задача по ускорению технического прогресса и совершенствованию горнего хозяйства, повышению эффективности и обеспечению безопасности труда. Это требует совершенствования методов ведения подземных работ и управления состоянием массива горных пород. Накопленный производственный опыт проектирования, строительства и эксплуатации горных предприятий показывает, что по мере увеличения глубины разработки изменяется характер механических процессов в массиве горных пород, усиливаются проявления горного давления и резко увеличиваются затраты на обеспечение устойчивости горных выработок.

На угольных шахтах СССР поддерживают свыше 30 тыс. км выработок, из которых горизонтальные выработки составляют свыше 75%. В среднем в Донецком бассейне систематически перекрепляют 20% горных выработок,  в Карагандинском 10 %, в Кузнецком 5 %.. На ряде глубоких шахт приходится ежегодно ремонтировать до 40 % и более горных выработок и все же в Донбассе свыше 15 % протяженности выработок находятся в неудовлетворительном состоянии. Общие трудовые затраты на содержание, ремонт и перекрепление горных выработок ежегодно составляют около 20 млн. чел.-смен. Только по Украинскому Донбассу на эти цели расходуется свыше 250 млн. руб. в год. Поэтому существует необходимость проведения интенсивных исследований физических процессов горного производства с целью решения важной для угольной промышленности проблемы снижения стоимости сооружения и поддержания горных выработок путем обеспечения их устойчивости и эксплуатационного состояния породонесущими конструкциями из разгруженных взрывом и упрочненных горных пород.

Диссертационная работа выполнена на кафедре "Строительство шахт и подземных сооружений" КГМИ в период с 1973 по 1987 гг. в соответствии с программой решения научно-технических проблем по совершенствованию горноподготовительных работ на основе улучшения технологических процессов, машин и средств крепления, создания новых способов и средств проведения, охраны и поддержания выработок.

Диссертация является составной частью этих исследований, выполненных согласно НИР ЦКОП 03.05 и 15.04 Минуглепрома СССР и отраженных в отчетах НИР № ГР 71045753, 76021074, 74037651, 01630022522, 01830032648, 80016828, 81055755 и др. под научным руководством автора.

Цель работы: установление закономерностей, и обоснование методов расчета проявлений горного давления, разработка и внедрение способов и средств активного горноинженерного воздействия на состояние массива горных пород вокруг горизонтальных выработок, обеспечивающих их эксплуатационную устойчивость.

 

Идея работы заключается в управлении напряженным состоянием и прочностью массива горных пород и создании вокруг выработки мощных породонесущих конструкций из разгруженных и упрочненных пород, способных предотвратить негативные последствия проявлений горного давления.

Методы и объекты исследования. Научное обоснование, разработка и практическое приложение методов расчета и способов обеспечения устойчивости горных выработок осуществлялись применением комплексной методики, включающей как составные, взаимно дополняющие элементы, аналитические исследования, шахтные инструментальные наблюдения, лабораторные эксперименты, промышленную проверку и внедрение разработок и рекомендаций, о диссертационной работе рассмотрены следующие объекты исследований: массив горных пород, их прочностные и деформационные свойства, развитие механических процессов деформации и разрушения пород массива вокруг капитальных и подготовительных выработок, влияние очистных работ, способы обеспечения устойчивости горизонтальных выработок.

Наиболее существенные научные результаты, полученные лично соискателем и их новизна

1. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены закономерности развития разрушения пород вокруг выработки, заключающиеся в том, что устойчивость выработки зависит от вида напряженного состояния пород: разрушение пород от сжатия, ведущее, к возрастанию концентрации напряжений, способствует дальнейшему движению фронта хрупкого разрушения и снижению устойчивости выработки, тогда как процесс разрушения от растягивающих напряжений самопроизвольно прекращается и новый контур выработки приобретает устойчивую форму.

2.      Установлены закономерности и разработана математическая модель формирования зоны неупругих деформаций вокруг выработки, отличающаяся учетом нелинейности запредельного деформирования пород и неосесимметричного влияния основных факторов, из которых следует, что наряду с разнокомпонентностью исходного поля напряжений наиболее важными, факторами являются прочностная анизотропия и неоднородность пород, а массовые силы в приконтурных породах существенны лишь при низкой остаточной несущей способности пород и малом отпоре крепи.

3. Разработана математическая модель кинетики хрупкого разрушения пород, отличающаяся объединением концепции термофлуктуационной теории прочности и понятия поврежденности, как ее меры. Впервые экспериментально определены реономные параметры горных пород, раскрыт и обоснован механизм развития разрушения приконтурных пород вокруг выработки во времени как кинетический процесс роста поврежденности массива в переменном поле напряжений движущегося фронта разрушения, впервые решены задачи кинетики движения фронта разрушения вокруг выработки.

4. Экспериментально установлены и теоретически обоснованы закономерности изменения напряженного состояния массива и устойчивости подготовительной выработки в окрестности движущегося очистного забоя, на основании которых доказана необходимость учета периодичности осадок основной кровли, длины ее консоли и скорости движения лавы при управлении горным давлением.

5. Разработаны новые способы обеспечения устойчивости горных выработок при неупругом деформировании окружающих пород, основанные на управлении напряженным состоянием и прочностью массива горных пород и отличающиеся тем, что массив подвергают активной разгрузке, формируя разгруженную зону пород заданной формы и размеров, а затем создают породою сущую конструкцию путем их глубинного упрочнения.

Выносимые на защиту научные положения являются результатом теоретического обобщения, формулирования и обоснования с кинетических позиций закономерностей разрушения и деформирования горных пород в подземных выработках, что позволило решить проблему обеспечения эксплуатационной устойчивости выработок породонесущими конструкциями из разгруженных взрывом и упрочненных пород.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций доказаны

в экспериментальных исследованиях - представительными данными большого объема шахтных инструментальных наблюдений и лабораторных исследований, проведенных в выработках и на образцах горных пород в широком интервале изменения основных влияющих факторов с учетом требований метрологии, с использованием современных методик, оборудования и приборов, что обеспечило требуемую степень точности и надежности (с вероятностью 0,9 отклонения определяемых параметров не превысили 15-30 %);

в теоретических исследованиях - обоснованностью принятых исходных предпосылок и методов исследований, с использованием научных концепций механики сплошной среды, теории прочности и пластичности, механики разрушения, физики горных пород, корректностью постановки и решения задач аналитических исследований. Все расчеты доведены до численных результатов и сравнены с экспериментальными данными, причем расхождение не превышает 30 %. Неизбежные идеализации расчетных схем проанализированы, сопоставлены с данными лабораторных и натурных исследований и, при необходимости, уточнены для достижения адекватности натуре.

Разработки по созданию активных способов обеспечения устойчивости выработок подтверждены шахтным внедрением, а на конечной стадии - успешным использованием в проектных и производственных организациях.

Научное значение работы заключается в теоретическом обобщении, формулировании и обосновании научных положений по описанию устойчивости и процесса разрушения горных пород вокруг подземных выработок, в разработке теории геомеханических параметров активных способов управления напряженным состоянием и прочностью горных пород для обеспечения устойчивости выработок.

Практическое значение работы заключается в обосновании, разработке и внедрении активных способов управления устойчивостью горных пород и механическими процессами вокруг выработок; создании породонесущих конструкций из разгруженных взрывом и упрочненных пород, расчете и оптимизации их геомеханических и технологических параметров.

Предложенные классификация и методы расчета устойчивости горных пород, основанные на закономерностях статики и кинетики разрушения пород, позволяют перейти на новый уровень описания процессов разрушения и деформирования пород в подземных выработках, повысить надежность проектных решений, снизить затраты на крепление, поддержание и охрану выработок.

Реализация выводов и рекомендаций работы произведена путем их внедрения в производственных организациях (ГПО «Ворошиловградуголь» Минуглепрома СССР) и проектных институтах (Южгипрошахт, Донгипрошахт, Карагандагипрошахт и др.). При проектировании, строительстве и эксплуатации угольных шахт внедрен способ борьбы с пучением почвы выработок активной разгрузкой и последующим упрочнением пород АРПУ, способ охраны пластовых выработок управлением длиной консоли кровли и бутовой полосой с предварительным распором, а также щелями переменной жесткости, прибор для испытаний горных пород ППЭИ, ряд разработок использован институтами ВНИМИ и ВНИИОМШС при составлении нормативных документов. Фактический годовой экономический эффект от внедрения составил более 1500 тыс. руб. Выводы и научные положения диссертации включены в учебники и учебные пособия для горных вузов.

Результаты исследований включены в стандарты, всесоюзные и отраслевые нормативно-технические документы:

1.       СНиП П-94-80. Подземные горные выработки /Госстрой СССР. - М.: Стройиздат, 1982. - 32 с.

2.        Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи /ВНИМИ, ВНИИОМШС Минуглепрома СССР. - М.: Стройиздат, 1973. - 272 с.

3.   Временные, инструкция и методические указания по определению прочностных и деформационных свойств горных пород портативным прибором ППЭИ //КГМИ МинВуза УССР. - Коммунарск: 1981. - 41 с. (утверждены Минуглепромом УССР).

4.       Временное руководство по предотвращению пучения почвы и повышению устойчивости выработок активной разгрузкой и последующим упрочнением пород //Р.0. Укршахтострой Минуглепрома УССР, КГМИ Минвуза УССР. - Коммунарск: 1985. - 36 с. (утверждено Минуглепромом УССР).

5.       Технологические схемы повышения устойчивости капитальных горных выработок активной разгрузкой и последующим упрочнением пород почвы //КГМИ Минвуза УССР. - Коммунарск: 1986. - 48 с. (утверждены Минуглепромом УССР).

6.       Руководство по контролю качества и приемке работ по разгрузке от напряжений и упрочнению пород массива вокруг горных выработок реометрическим методом //КГМИ Минвуза УССР. - Коммунарск: 1986. - 16 с. (утверждено Минуглепромом УССР).

7.   Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР //ВНИМИ, Минуглепром СССР. - Л.: 1985. - 225 с. (п. 7.89, с. 127).

8. Прогрессивные паспорта крепления, охраны и поддержания подготовительных выработок при бесцеликовой технологии отработки угольных пластов //ВНИМИ, Минуглепром СССР. - Л.: 1985. - 112 с. (с. 107-108).

Апробация работы. Основные положения диссертации в целом и отдельные ее разделы обсуждались и получили одобрение на: конференции по инженерно-техническим проблемам разработки месторождений полезных ископаемых (Ленинград, ЛГИ, 1966); республиканских научно-технических конференциях по проблемам угольной промышленности (Донецк, Донуги, ДПИ, 1966, 1968, 1969); Всесоюзном симпозиуме по проблемам реологии горных пород и релаксации в твердых телах (Днепропетровск, ИГТМ АН УССР, 1968); Всесоюзной конференции "Давления и механические напряжения в развитии состава, структуры и рельефа литосферы" (Ленинград, ВСЕГЕИ, 1969); ежегодных научно-технических конференциях по горному делу и геологии (Коммунарок, КГМИ, 1969-1987); всесоюзных научных конференциях "Физика горных пород и процессов" (Москва, МГИ, 1971, 1974, 1977); всесоюзном научно-техническом семинаре "Опыт создания и внедрения крепей для выработок глубоких шахт" (Ленинград, ЛГИ, 1974); всесоюзных семинарах по исследованию горного давления и способов охраны капитальных и подготовительных выработок" (Караганда, КарПИ, 1974, Новосибирск, ИГД СО АН СССР, 1976, 1978; Владивосток, ДВПИ, 1980; Якутск, ИГДС СО АН СССР, 1982; Кемерово, ИУ СО АН СССР, 1986); всесоюзном семинаре "Проведение и крепление горных выработок в неустойчивых породах" (Павлоград, НТГО СССР, 1976); VI всесоюзной конференции по прочности и пластичности (Москва, ИПМ АН СССР, 1975); Ш Всесоюзной конференции по термомеханическим методам разрушения горных пород (Днепропетровск, ИГТМ АН УССР, 1976); совещании-семинаре "Роль горной науки в прогрессе подземной разработки рудных месторождений" (Москва, ИПКОН АН СССР, 1976); Всесоюзном семинаре "Применение новых видов крепи..." (Междуреченск, ЦНИЭИуголь, 1977); Ш семинаре по аналитическим методам и применению ЭВМ в механике горных пород (Новосибирск, ИГД СО АН СССР, 1980); всесоюзном симпозиуме "Тектонические основы и инженерно-геологические аспекты изучения напряженного состояния пород" (Апатиты, КФ АН СССР, 1983); всесоюзной конференции "Напряжения и деформации в массиве горных пород при разработке месторождений полезных ископаемых" (Тбилиси, 1986); Республиканских школах передового опыта (Ворошиловград, ЦБНТИ Минуглепрома СССР, 1986, 1988); НТС Минвуза СССР по физическим процессам горного производства (Кохтла-Ярве, 1980; Фрунзе, 1982; Караганда, 1984); НТС Госстроя СССР по подземному и шахтному строительству, НТС проектных институтов (Днепрогипрошахт, Южгипрошахт, Донгипрошахт, Ворошиловградгипрошахт, 1977-1987) и производственных организаций (Р.О. Укршахтострой, ПО Краснодонуголь, Ворошиловградуголь, Артемуголь, Красноармейскуголь и др.).

Результаты работы были представлены в качестве экспонатов на ВДНХ СССР и УССР, награждены дипломами и медалями.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 80 печатных работах и 50 авторских свидетельствах на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения и 6 приложений, содержит 121 рисунок, 17 таблиц и список использованных источников из 396 наименований. Работа изложена на 272 страницах, ее общий объем 487 страниц.

Категория: Авторефераты диссертаций | Добавил: pavel_n (08.02.2011)
Просмотров: 7492 | Рейтинг: 5.0/1
Всего комментариев: 0
Имя *:
Email *:
Код *: