Об особенностях формирования нагрузки на крепь выработок глубоких шахт

На основании обработки результатов шахтных инструментальных наблюдений за смещениями пород установлены новые особенности формирования нагрузки на крепь выработок глубоких шахт....

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2011
Автори: Петренко, Ю.А., Новиков, А.О., Подкопаев, С.В., Александров, С.Н.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут фізики гірничих процесів НАН України 2011
Назва видання:Физико-технические проблемы горного производства
Теми:
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108182
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Об особенностях формирования нагрузки на крепь выработок глубоких шахт / Ю.А. Петренко, А.О. Новиков, С.В. Подкопаев, С.Н. Александров // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2011. — Вип. 14. — С. 133-141. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-108182
record_format dspace
spelling irk-123456789-1081822016-10-31T03:03:10Z Об особенностях формирования нагрузки на крепь выработок глубоких шахт Петренко, Ю.А. Новиков, А.О. Подкопаев, С.В. Александров, С.Н. Физика горных процессов на больших глубинах На основании обработки результатов шахтных инструментальных наблюдений за смещениями пород установлены новые особенности формирования нагрузки на крепь выработок глубоких шахт. На підставі обробки результатів шахтних інструментальних спостережень за зміщеннями порід встановлено нові особливості формування навантаження на кріплення виробок глибоких шахт. On the basis of treatment of results of the mine instrumental looking after displacements of rocks the new features of forming of loading on lining of mining of deep mines are set. 2011 Article Об особенностях формирования нагрузки на крепь выработок глубоких шахт / Ю.А. Петренко, А.О. Новиков, С.В. Подкопаев, С.Н. Александров // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2011. — Вип. 14. — С. 133-141. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. XXXX-0016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108182 622.016.3.112.3 ru Физико-технические проблемы горного производства Інститут фізики гірничих процесів НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Физика горных процессов на больших глубинах
Физика горных процессов на больших глубинах
spellingShingle Физика горных процессов на больших глубинах
Физика горных процессов на больших глубинах
Петренко, Ю.А.
Новиков, А.О.
Подкопаев, С.В.
Александров, С.Н.
Об особенностях формирования нагрузки на крепь выработок глубоких шахт
Физико-технические проблемы горного производства
description На основании обработки результатов шахтных инструментальных наблюдений за смещениями пород установлены новые особенности формирования нагрузки на крепь выработок глубоких шахт.
format Article
author Петренко, Ю.А.
Новиков, А.О.
Подкопаев, С.В.
Александров, С.Н.
author_facet Петренко, Ю.А.
Новиков, А.О.
Подкопаев, С.В.
Александров, С.Н.
author_sort Петренко, Ю.А.
title Об особенностях формирования нагрузки на крепь выработок глубоких шахт
title_short Об особенностях формирования нагрузки на крепь выработок глубоких шахт
title_full Об особенностях формирования нагрузки на крепь выработок глубоких шахт
title_fullStr Об особенностях формирования нагрузки на крепь выработок глубоких шахт
title_full_unstemmed Об особенностях формирования нагрузки на крепь выработок глубоких шахт
title_sort об особенностях формирования нагрузки на крепь выработок глубоких шахт
publisher Інститут фізики гірничих процесів НАН України
publishDate 2011
topic_facet Физика горных процессов на больших глубинах
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108182
citation_txt Об особенностях формирования нагрузки на крепь выработок глубоких шахт / Ю.А. Петренко, А.О. Новиков, С.В. Подкопаев, С.Н. Александров // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2011. — Вип. 14. — С. 133-141. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.
series Физико-технические проблемы горного производства
work_keys_str_mv AT petrenkoûa obosobennostâhformirovaniânagruzkinakrepʹvyrabotokglubokihšaht
AT novikovao obosobennostâhformirovaniânagruzkinakrepʹvyrabotokglubokihšaht
AT podkopaevsv obosobennostâhformirovaniânagruzkinakrepʹvyrabotokglubokihšaht
AT aleksandrovsn obosobennostâhformirovaniânagruzkinakrepʹvyrabotokglubokihšaht
first_indexed 2025-07-07T21:05:22Z
last_indexed 2025-07-07T21:05:22Z
_version_ 1837023702354493440
fulltext Физико-технические проблемы горного производства 2011, вып. 14 133 УДК 622.016.3.112.3 Ю.А. Петренко, А.О. Новиков, С.В. Подкопаев, С.Н. Александров ОБ ОСОБЕННОСТЯХ ФОРМИРОВАНИЯ НАГРУЗКИ НА КРЕПЬ ВЫРАБОТОК ГЛУБОКИХ ШАХТ Донецкий национальный технический университет На основании обработки результатов шахтных инструментальных наблюдений за смещениями пород установлены новые особенности формирования нагрузки на крепь выработок глубоких шахт. Существующие в настоящее время представления о механизме формиро- вания нагрузки на крепь глубоких шахт заключаются в следующем. В начальный период после проведения выработки на ее контуре и в прилегающем массиве возникает концентрация напряжений, величина ко- торых превышает предел мгновенной прочности пород. Вследствие этого вмещающие породы разрушаются и вокруг выработки формируется зона разрушенных пород. В пределах этой зоны породы увеличиваются в объ- еме и смещаются в сторону свободного пространства, т.е. в выработку, чем и нагружают крепь. По мере роста зоны разрушенных пород в глубь массива напряжения на ее внешней границе уменьшаются. Когда они ста- новятся меньше предела мгновенной прочности пород, но больше предела длительной прочности, рост зоны разрушенных пород прекращается, и во вмещающем массиве формируется вторая зона, деформации в которой протекают без разрыва сплошности. Нагрузка от формирования второй зоны, при передаче ее через первую зону к контуру выработки, происхо- дит с увеличением за счет эффекта фокусирования, как установлено в ра- боте [1]. Вместе с тем, как показал анализ состояния горных выработок глубоких шахт Донбасса, при ремонте выработок, связанном с заменой крепи или ее элементов, в 92% случаев зафиксированы выпуски породы. При этом в 55% случаев вес выпускаемой породы превышает несущую способность крепи. Учитывая, что в существующих нормативных документах [2] нагрузка на крепь определяется только как результат разрушения пород и смещения их в полость выработки, задачей данных исследований являлось уточнение меха- низма формирования нагрузки на крепь после образования зоны разрушен- ных пород с целью учета веса отделившихся от массива пород при выборе параметров поддержания выработок. Физико-технические проблемы горного производства 2011, вып. 14 134 Для решения поставленной задачи использовался метод шахтных ин- струментальных наблюдений за смещениями контурных и глубинных репе- ров на специально оборудованных замерных станциях. Как отмечено в работе [3], при инструментальном изучении механических процессов в породных массивах целесообразно исследовать деформации, а не напряженное состояние. В основе такого заключения лежат следующие факты. Во-первых, в результате экспериментальных исследований в массиве измеряются деформации, а напряжения определяются по замерным деформациям расчетным путем. Во-вторых, деформации более информативны для оценки проявлений ме- ханических процессов, так как в механизме деформирования горных пород опре- деляющая роль принадлежит разрушению. Например, величина деформаций обу- словлена главным образом увеличением объема пород при разрушении. Оборудование замерных станций и производство измерений смещения реперов осуществлялось по методике ВНИМИ [4]. Основные положения этой методики заключаются в следующем. Смещения пород за пределами контура выработки (в глубине массива) определяются с помощью глубинных реперов, которые устанавливаются в скважинах, пробуренных на глубину 2–10 м от контура выработки (рис. 1). а б Рис. 1. Схема установки глубинных реперов (а) и оформление устья скважины (б): 1 – глубинный репер: 2 – клиновая втулка: 3 – тяги глубинных реперов: 4 – обсад- ная труба: 5 – кондуктор Физико-технические проблемы горного производства 2011, вып. 14 135 Глубинный репер представляет собой отрезок металлической трубы 1 (рис. 1,б) цилиндрической или конической формы, который расклинивается в шпуре или скважине с помощью деревянной втулки 2 или других приспо- соблений. Установка глубинного репера на необходимом расстоянии от кон- тура выработки осуществляется с помощью установочной трубы. Относи- тельные смещения между соседними реперами определяются как разность расстояний между концами металлических тяг 3, соединенных с соответ- ствующими реперами. Абсолютные смещения глубинных реперов опреде- ляются относительно конечного глубинного репера, считающегося непо- движным (n) (рис. 1,а). Глубинные реперы устанавливаются с интервалом 0,5–1 м. Частота измерений зависит от интенсивности проявления горного давления и составляет в течение первых 2 месяцев один раз в 3–7 суток с увеличением интервала между замерами до одного раза в месяц. Результаты измерений заносятся в журнал. По полученным данным строятся графики смещений пород в окрестности выработок путем соединения точек, соответ- ствующих величинам смещений реперов, прямыми линиями. Так же опреде- ляется скорость смещения реперов во времени по формуле: 1 ( ) 1 ( ) ( ) , i n i n i n t i i U t U t v t t      мм/сут, (2.7) где ( )n iU t , 1( )n iU t  – величина смещения репера n соответственно на мо- мент времени it и 1it  . Анализ графиков смещения глубинных реперов на момент производства замеров позволяет отслеживать рост зоны неупругих деформаций вокруг выработки во времени. Границу ЗНД определяют как расстояние от контура выработки до участка, на котором наблюдается резкий перегиб графика смещений точек массива, фиксированных глубинными реперами. Анализ графиков скоростей смещения позволяет определить характер де- формационных процессов, происходящих в массиве пород, окружающих выработку. Плавное изменение скорости смещения пород при движении в глубь массива свидетельствует о протекании деформационных процессов без разрыва сплошности породного массива. Резкое, пикообразное измене- ние скорости смещения пород говорит о том, что причиной деформацион- ных процессов является разрушение породного массива. По изменению ско- рости смещения пород на различном расстоянии от контура выработки можно не только судить о характере геомеханических процессов, но и опре- делять зону активных смещений в различные моменты на протяжении пери- ода инструментальных наблюдений. Вместе с тем информация, получаемая из анализа графиков смещений и скоростей смещений глубинных реперов, не позволяет сделать вывод об от- делении части зоны разрушенных пород от остального массива и формиро- вании за счет этого дополнительной нагрузки на крепь. Физико-технические проблемы горного производства 2011, вып. 14 136 В связи с этим в работе предлагается для исследования особенностей формирования нагрузки на крепь определять ускорение смещений реперов по формуле: 1 ( ) 1 ( ) ( ) i n i n i n t i i V t V t a t t      , мм/сут2, (2.8) где ( )n iV t , 1( )n iV t  – скорости смещений n-го репера соответственно на мо- мент времени it и 1it  . Анализируя графики ускорений, можно будет установить наличие и раз- меры области ЗРП, отделившейся от остального массива. Рассмотрим более подробно методику такого анализа (рис. 1). Допустим, на момент третьего замера скорость движения первого репера была больше, чем на момент второго замера. Скорость движения второго репера на мо- мент третьего замера была меньше, чем на момент второго. Тогда ускорение смещения первого репера в интервале времени между вторым и третьим за- мером будет положительное, а ускорение смещения второго репера в том же интервале времени – отрицательное. Это свидетельствует о том, что в про- межутке времени между вторым и третьим замерами на участке скважины между первым и вторым репером произошло отделение части ЗРП от остального массива, т.е. произошло дополнительное нагружение крепи за счет веса отделившихся пород. Для анализа были использованы результаты наблюдений на 12 глубин- ных замерных станциях. Станция № 1 была оборудована при сооружении второго западного кон- вейерного штрека пласта h8 шахты «Шахтерская-Глубокая». Выработка се- чением в свету 13,5 м2 сооружалась буровзрывным способом на глубине 1050 м в песчаных сланцах прочностью на сжатие 50 МПа. Крепление в вы- работке – рамы КМП-А5 с шагом установки 0,5 м. Глубинная замерная станция была оборудована в кровле выработки. В скважине было установлено 3 репера. Расстояние от контура выработки до первого репера составляет 1500 мм, а между первым и вторым репером – 1000 мм. Наблюдения проводились в течение 65 суток. Результаты замеров представлены в табл.1. Таблица 1. Результаты замеров по станции №1 Реперы Время замеров, сут 4 5 7 8 10 14 15 20 28 44 55 65 Контур 80 115 175 190 210 215 250 290 295 305 310 315 1 40 50 75 90 100 100 120 125 135 140 140 140 2 0 0 0 0 5 10 10 10 10 10 10 10 Физико-технические проблемы горного производства 2011, вып. 14 137 Результаты обработки данных замеров по приведенной методике пред- ставлены в табл. 2. Таблица 2. Результаты обработки данных Ре- перы Скорость смещений, мм/сут Ускорение смещений, мм/сут2 Время замеров, сут 0 4 5 7 8 10 14 15 20 28 44 55 65 Кон- тур 0 0 20 +5,0 35 +15,0 30 –2,5 15 –15,0 10 –2,5 1,25 –2,19 35 +33,75 8,0 –5,4 0,625 –0,92 0,625 0 0,445 –0,02 0,5 +0,045 1 0 0 10 +2,25 10 0 12,5 +1,25 15,0 +2,5 5,0 –5,0 0 –1,25 20,0 +20,0 1,0 –3,8 1,25 +0,003 0,31 –0,006 0 –0,003 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2,5 +1,25 1,25 –0,3 0 –1,25 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Анализируя полученные данные, можно отметить, что в период наблюде- ний с восьмых до четырнадцатых суток происходит замедление движения отделившейся части массива. Это объясняется формированием активного отпора со стороны крепи и включением ее в работу. На пятнадцатые сутки наблюдений происходит резкое увеличение скорости движения массива, и на участке между первым и вторым репером ускорение меняет знак с «плю- са» на «минус». Это свидетельствует о том, что скорость движения в преде- лах этого участка увеличивается по отношению к остальной части наблюда- емого массива, движение которого замедляется. То есть происходит отделе- ние части приконтурного массива от вмещающих выработку пород и фор- мирование дополнительной нагрузки на крепь. Дальнейшие наблюдения на замерной станции показывают, что на 44 сутки наблюдений смещения пород в глубине массива прекращаются, при этом внешняя граница зоны разру- шенных пород располагается между первым и вторым реперами. Для оценки размера отделившейся части приконтурного массива были построены графики ускорения смещений реперов на различные моменты наблюдений (рис. 2). Замерная станция № 2 была уста- новлена в 6-м восточном вентиляци- онном штреке пл. 4 шахты им. Че- люскинцев. Выработка сооружалась комбайновым способом в песчаных сланцах с прочностью на одноосное сжатие 46 МПа. Глубина заложения выработки 720 м, сечение в свету 7 м2. Крепле- ние штрека осуществлялось трех- звенной арочной податливой крепью Рис. 2. Графики ускорений смещений реперов Физико-технические проблемы горного производства 2011, вып. 14 138 АП-3. Глубинная замерная станция была оборудована в кровле выработки. В скважине было установлено 8 реперов с шагом 1000 мм. Наблюдения про- водились в течение 180 суток. Результаты наблюдений представлены в таблицах 3 и 4. Таблица 3. Результаты измерения смещений глубинных реперов на 2-й замерной станции Реперы Время замеров, сут 6 18 42 60 90 120 150 180 Контур 80 160 240 280 316 348 372 388 1 48 100 140 170 192 232 256 272 2 32 92 136 160 180 192 216 224 3 20 72 100 112 124 136 146 156 4 12 32 64 72 80 92 100 100 5 12 28 30 32 32 36 40 48 6 10 20 26 28 28 32 36 40 7 8 16 20 22 24 28 30 32 8 4 9 9 12 12 14 16 20 Таблица 4. Результаты расчетов скоростей и ускорений смещений глубинных реперов на 2-й замерной станции Реперы Скорость смещений, мм/сут Ускорение смещений, мм/сут2 Время замеров, сут 6 18 42 60 90 120 150 180 Контурный 13,3 +4,44 6,67 –0,55 3,33 –0,14 2,0 –0,07 1,2 –0,027 1,07 –0,004 0,8 –0,009 0,53 –0,009 1 8,0 +2,67 4,33 –0,31 1,67 –0,11 1,67 0 0,73 –0,03 1,33 +0,02 0,8 –0,018 0,53 –0,009 2 5,3 1,78 5,0 –0,025 1,83 –0,13 1,33 –0,028 0,67 –0,022 0,4 –0,009 0,8 +0,013 0,27 –0,018 3 3,3 +1,11 4,33 +0,09 1,17 –0,13 0,67 –0,028 0,4 –0,009 0,27 –0,004 0,33 +0,002 0,33 0 4 2,0 +0,67 1,67 –0,028 1,33 –0,014 0,44 –0,05 0,27 –0,006 0,4 +0,004 0,27 –0,004 0 –0,009 5 2,0 +0,67 1,33 –0,055 0,08 –0,052 0,11 –0,002 0 –0,0037 0,13 +0,004 0,13 0 0,27 +0,005 6 1,67 +0,56 0,83 –0,07 0,25 –0,024 0,11 –0,008 0 –0,0037 0,13 +0,004 0,13 0 0,13 0 7 1,3 +0,44 0,67 –0,05 0,17 –0,02 0,11 –0,003 0,07 –0,001 0,13 +0,002 0,07 –0,002 0,07 0 8 0,67 +0,22 0,42 -0,02 0 -0,018 0,17 +0,009 0 -0,006 0,07 +0,002 0,07 0 0,13 +0,002 Физико-технические проблемы горного производства 2011, вып. 14 139 Как видим из приведенных дан- ных, на 18-е сутки наблюдений уско- рение смещений пород на участке между третьим и четвертым репера- ми изменяет знак с «плюса» на «ми- нус». Смещения контура выработки на этот момент составляют 160 мм, т.е. произошло отделение части при- контурного массива глубиной 3,8 м (рис. 3) от вмещающих выработку пород. При этом разница между сме- щениями третьего и четвертого репе- ров составила 40 мм, в то время как между остальными глубинными реперами она не превышала 10 мм. На 120-е сутки наблюдений между первым и вто- рым репером ускорение смещений глубинных реперов снова изменяет знак с «плюса» на «минус». Это свидетельствует о том, что в пределах отделив- шейся части массива продолжается разрушение. На 150-е сутки наблюдений снова наблюдается ускорение смещения отделившейся части массива. Оче- видно, это связано с проскальзыванием элементов крепи в замках податли- вости, т.к. смещения контура на этот момент составляют 372 мм. Аналогичные результаты были получены при обработке наблюдений на других замерных станциях. Таким образом, если рассмотреть механизм формирования нагрузки на крепь во времени, его условно можно разделить на 2 периода. В первом периоде продолжительностью 1,0–1,5 года нагрузка на крепь в ос- новном формируется за счет смещений контура выработки в процессе образо- вания вокруг нее зоны разрушенных пород. То есть нагрузка на крепь форми- руется в режиме «заданной деформации». После окончания образования вокруг выработки зоны разрушенных пород, в результате реализации геомеханиче- ских процессов внутри нее, нагрузку на крепь оказывает вес части пород в пре- делах зоны разрушенных пород, отделившихся от приконтурного массива. То есть нагружение крепи происходит в режиме «заданной нагрузки». Таким образом, выбирать параметры поддержания выработки необходи- мо с учетом степени реализации геомеханических процессов во вмещающем выработку массиве во времени. В этой связи актуальным становится вопрос о выборе способов охраны, направленных на управление состоянием вмещающего выработку массива, и своевременности их применения. Решать его необходимо с учетом срока службы выработки, степени реализации геомеханических процессов во вмещающем массиве на момент окончания срока службы, продолжительно- сти эффективного действия способа охраны и затрат на поддержание. Принятые решения должны обеспечивать соответствие срока окупаемо- сти затрат на поддержание сроку службы выработки. Рис. 3. Графики ускорений смещений реперов Физико-технические проблемы горного производства 2011, вып. 14 140 Все это в полной мере относится и к выбору параметров ремонтных работ в выработках. В настоящее время ремонт в выработках производят, как правило, при от- сутствии требуемых по Правилам безопасности зазоров между транспорт- ными средствами и крепью, а также при нарушениях эксплуатационного режима, оговоренных в Правилах технической эксплуатации. Степень де- формации поперечного сечения выработки к моменту начала ремонта изме- няется от 12 до 85%. Как показали исследования, выполненные в ДонНТУ, своевременное выполнение ремонта выработок существенно влияет на гео- механическое состояние вмещающего массива и определяет последующую устойчивость выработок. Таким образом, установленные особенности формирования нагрузки на крепь позволяют сформулировать новую концепцию поддержания горных выработок, которая заключается в следующем. Параметры крепи выработки необходимо определять дифференцированно по ее длине с учетом срока службы отдельных участков выработки и стадии реализации геомеханических процессов во вмещающем массиве. Применение способов охраны должно носить предупредительный характер, но при этом необходимо учитывать соответствие срока окупаемости затрат на их реализацию сроку службы выработки, продолжительность технического эффекта данного способа, а также на какой стадии развития геомеханических процессов во вмещающем массиве его наиболее эффективно применять. Перекрепление в выработке необходимо производить не при отсутствии зазоров между транспортными средствами и крепью, а с учетом послеремонт- ного развития геомеханических процессов во вмещающем выработку массиве во времени. То есть степень деформации контура выработки к моменту пере- крепления, а, следовательно, и параметры ЗРП вокруг выработки должны обеспечивать максимальную несущую способность системы «крепь– вмещающий массив» после ремонта. Внедрение данной концепции позволит существенно сократить матери- альные и трудовые затраты на поддержание горных выработок и повысить их устойчивость. 1. Гребенкин С.С. Современные проблемы проведения и поддержания горных вы- работок глубоких шахт [Текст] / С.С. Гребенкин, Н.Н. Касьян, Ю.А. Петренко и др. – Донецк: ДУМВГО, 2003. – 256 с. 2. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР [Текст] / изд. 4-е перераб. – Л.: ВНИМИ, 1986. – 222 с. 3. Заславский Ю.З. Расчеты параметров крепи выработок глубоких шахт [Текст] / Ю.З. Заславский, А.Н. Зорин, И.Л. – К.: Техніка. – 1972. – 153 с. 4. Методические указания по исследованию горного давления на угольных и сланцевых шахтах [Текст]. – Л.: ВНИМИ. – 1973. – 102 с. Физико-технические проблемы горного производства 2011, вып. 14 141 Ю.А. Петренко, О.О. Новіков, С.В. Подкопаєв, С.М. Александров ПРО ОСОБЛИВОСТІ ФОРМУВАННЯ НАВАНТАЖЕННЯ НА КРIПЛЕННЯ ВИРОБОК ГЛИБОКИХ ШАХТ На підставі обробки результатів шахтних інструментальних спостережень за зміщеннями порід встановлено нові особливості формування навантаження на кріплення виробок глибоких шахт. J.A. Petrenko, A.O. Novikov, S.V. Podkopayev, S.N. Alexandrov AT FEATURES OF FORMING OF LOADING ON LINING MINING OF DEEP MINES On the basis of treatment of results of the mine instrumental looking after displacements of rocks the new features of forming of loading on lining of mining of deep mines are set.