Исследование напряженно-деформированного состояния массива при отработке свиты пологих пластов
Цель. Оценка степени влияния надработки и подработки пород на напряженно-деформированное состояние массива при выемке свиты пологих угольных пластов. Результаты. Для условий шахт ГП “Львовуголь” установлены границы зон повышенного горного давления в кровле и почве вынимаемого пласта, определены вел...
Збережено в:
| Дата: | 2017 |
|---|---|
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України
2017
|
| Назва видання: | Розробка родовищ |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/133627 |
| 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: | Исследование напряженно-деформированного состояния массива при отработке свиты пологих пластов / В. Бузило, Т. Савельева, В. Сердюк, В. Савельев, Ю. Демченко // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2017. — Т. 11, вип. 1. — С. 80-86. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-133627 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1336272018-06-04T03:04:28Z Исследование напряженно-деформированного состояния массива при отработке свиты пологих пластов Бузило, В. Савельева, Т. Сердюк, В. Савельев, В. Демченко Ю. Цель. Оценка степени влияния надработки и подработки пород на напряженно-деформированное состояние массива при выемке свиты пологих угольных пластов. Результаты. Для условий шахт ГП “Львовуголь” установлены границы зон повышенного горного давления в кровле и почве вынимаемого пласта, определены величины максимальных коэффициентов концентрации напряжений и найдена нагрузка, действующая на секцию механизированной крепи от веса пород, находящихся в области предельного напряженного состояния в кровле над лавой. Установлено, что при работе очистных забоев в зонах влияния краевых частей смежных пластов наиболее опасным, с точки зрения проявлений горного давления, является период выхода лавы из-под краевой части нижерасположенного пласта. Научная новизна. Проведен анализ напряженно-деформированного состояния слоистого неоднородного массива вокруг очистной выработки с учетом подработки и надработки. Установлены реальные значения силовых и геометрических параметров механизированной крепи, определена рациональная скорость подвигания очистного забоя в конкретных горно-геологических условиях. Мета. Оцінка ступеня впливу надробки та підробки порід на напружено-деформований стан масиву при виїмці свити пологих вугільних пластів. Результати. Для умов шахт ГП “Львіввугілля” встановлено межі зон підвищеного гірського тиску в покрівлі та ґрунті пласта, що виймається, визначені величини максимальних коефіцієнтів концентрації напружень і знайдено навантаження, яке діє на секцію механізованого кріплення від ваги порід, що знаходяться в області граничного напруженого стану в покрівлі над лавою. Встановлено, що при роботі очисних забоїв в зонах впливу крайових частин суміжних пластів найбільш небезпечним, з точки зору проявів гірського тиску, є період виходу лави з-під крайової частини пласта, який розташовано нижче. Наукова новизна. Проведено аналіз напружено-деформованого стану шаруватого неоднорідного масиву навколо очисної виробки з урахуванням підробки та надробки. Встановлено реальні значення силових і геометричних параметрів механізованого кріплення, визначена раціональна швидкість посування очисного забою у конкретних гірничо-геологічних умовах. Purpose. To determine the effect of rock overworking and underworking on massif stress-strain state while extracting the series of flat coal seams. Findings. Boundaries for areas of increased rock pressure in the roof and floor of the extracted seam at mining enterprise “Lvivvuhillia” were determined. Values of maximum coefficients of stress concentration were derived. The load acting on the section of powered support was calculated considering the weight of rocks located in the area of boundary stress state in the roof above the longwall face. It was stated that during stope workings in areas affected by contiguous seams’ selvage, the period of longwall face exposure from under the selvage of the low seam is the most hazardous in terms of rock pressure manifestation. Originality. Analysis of stress-strain state of stratified heterogeneous massif around the stope was conducted considering overworking and underworking. Actual values of the force and geometrical parameters of the powered support were derived; rational velocity of stope advance in the given mining and geological conditions was determined. 2017 Article Исследование напряженно-деформированного состояния массива при отработке свиты пологих пластов / В. Бузило, Т. Савельева, В. Сердюк, В. Савельев, Ю. Демченко // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2017. — Т. 11, вип. 1. — С. 80-86. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 2415-3435 DOI: doi.org/10.15407/mining11.01.080 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/133627 622.831.3 ru Розробка родовищ УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Цель. Оценка степени влияния надработки и подработки пород на напряженно-деформированное состояние массива при выемке свиты пологих угольных пластов.
Результаты. Для условий шахт ГП “Львовуголь” установлены границы зон повышенного горного давления в кровле и почве вынимаемого пласта, определены величины максимальных коэффициентов концентрации напряжений и найдена нагрузка, действующая на секцию механизированной крепи от веса пород, находящихся в области предельного напряженного состояния в кровле над лавой. Установлено, что при работе очистных забоев в зонах влияния краевых частей смежных пластов наиболее опасным, с точки зрения проявлений горного давления, является период выхода лавы из-под краевой части нижерасположенного пласта.
Научная новизна. Проведен анализ напряженно-деформированного состояния слоистого неоднородного массива вокруг очистной выработки с учетом подработки и надработки. Установлены реальные значения силовых и геометрических параметров механизированной крепи, определена рациональная скорость подвигания очистного забоя в конкретных горно-геологических условиях. |
| format |
Article |
| author |
Бузило, В. Савельева, Т. Сердюк, В. Савельев, В. Демченко Ю. |
| spellingShingle |
Бузило, В. Савельева, Т. Сердюк, В. Савельев, В. Демченко Ю. Исследование напряженно-деформированного состояния массива при отработке свиты пологих пластов Розробка родовищ |
| author_facet |
Бузило, В. Савельева, Т. Сердюк, В. Савельев, В. Демченко Ю. |
| author_sort |
Бузило, В. |
| title |
Исследование напряженно-деформированного состояния массива при отработке свиты пологих пластов |
| title_short |
Исследование напряженно-деформированного состояния массива при отработке свиты пологих пластов |
| title_full |
Исследование напряженно-деформированного состояния массива при отработке свиты пологих пластов |
| title_fullStr |
Исследование напряженно-деформированного состояния массива при отработке свиты пологих пластов |
| title_full_unstemmed |
Исследование напряженно-деформированного состояния массива при отработке свиты пологих пластов |
| title_sort |
исследование напряженно-деформированного состояния массива при отработке свиты пологих пластов |
| publisher |
УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України |
| publishDate |
2017 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/133627 |
| citation_txt |
Исследование напряженно-деформированного состояния массива при отработке свиты пологих пластов / В. Бузило, Т. Савельева, В. Сердюк, В. Савельев, Ю. Демченко // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2017. — Т. 11, вип. 1. — С. 80-86. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| series |
Розробка родовищ |
| work_keys_str_mv |
AT buzilov issledovanienaprâžennodeformirovannogosostoâniâmassivapriotrabotkesvitypologihplastov AT savelʹevat issledovanienaprâžennodeformirovannogosostoâniâmassivapriotrabotkesvitypologihplastov AT serdûkv issledovanienaprâžennodeformirovannogosostoâniâmassivapriotrabotkesvitypologihplastov AT savelʹevv issledovanienaprâžennodeformirovannogosostoâniâmassivapriotrabotkesvitypologihplastov AT demčenkoû issledovanienaprâžennodeformirovannogosostoâniâmassivapriotrabotkesvitypologihplastov |
| first_indexed |
2025-07-09T19:19:37Z |
| last_indexed |
2025-07-09T19:19:37Z |
| _version_ |
1837198246826475520 |
| fulltext |
Founded in
1900
National Mining
University
Mining of Mineral Deposits
ISSN 2415-3443 (Online) | ISSN 2415-3435 (Print)
Journal homepage http://mining.in.ua
Volume 11 (2017), Issue 1, pp. 80-86
80
UDC 622.831.3 https://doi.org/10.15407/mining11.01.080
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
МАССИВА ПРИ ОТРАБОТКЕ СВИТЫ ПОЛОГИХ ПЛАСТОВ
В. Бузило1, Т. Савельева2*, В. Сердюк1, В. Савельев3, Ю. Демченко1
1Кафедра подземной разработки месторождений, Национальный горный университет, Днепр, Украина
2Кафедра основ конструирования механизмов и машин, Национальный горный университет, Днепр, Украина
3Кафедра программного обеспечения компьютерных систем, Национальный горный университет, Днепр, Украина
*Ответственный автор: e-mail savelievats@gmail.com, тел. +380665734507
STUDY OF MASSIF STRESS-STRAIN STATE
WHILE MINING THE SERIES OF FLAT STRATA
V. Busylo1, T. Savelieva2*, V. Serdyuk1, V. Saveliev3, Yu. Demchenko1
1Underground Mining Department, National Mining University, Dnipro, Ukraine
2Basic Design of Mechanisms and Machinery Department, National Mining University, Dnipro, Ukraine
3Software Engineering Department, National Mining University, Dnipro, Ukraine
*Corresponding author: e-mail savelievats@gmail.com, tel. +380665734507
ABSTRACT
Purpose. To determine the effect of rock overworking and underworking on massif stress-strain state while extract-
ing the series of flat coal seams.
Methods. Mining, geological and technical conditions; current approaches to solution of the related problems were
theoretically analysed on the basis of the developed calculation algorithm with the help of the boundary element
method. We calculated maximum coefficients of stress concentration in the roof and floor of the working seam in the
zones affected by pillars and contiguous seams.
Findings. Boundaries for areas of increased rock pressure in the roof and floor of the extracted seam at mining enter-
prise “Lvivvuhillia” were determined. Values of maximum coefficients of stress concentration were derived. The
load acting on the section of powered support was calculated considering the weight of rocks located in the area of
boundary stress state in the roof above the longwall face. It was stated that during stope workings in areas affected by
contiguous seams’ selvage, the period of longwall face exposure from under the selvage of the low seam is the most
hazardous in terms of rock pressure manifestation.
Originality. Analysis of stress-strain state of stratified heterogeneous massif around the stope was conducted consid-
ering overworking and underworking. Actual values of the force and geometrical parameters of the powered support
were derived; rational velocity of stope advance in the given mining and geological conditions was determined.
Practical implications. The results of the study allowed to obtain the data necessary to choose the type of standing
support and estimate rational force parameters for the powered support during its operation in the areas of high and
low rock pressure as well as to determine the velocity of longwall face advance and permissible distance between
stopes of contiguous seams for the mines of Lviv-Volyn basin.
Keywords: stress-strain state, coefficient of stress concentration, series of strata, overworking, underworking,
pillar, selvages
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время на шахтах Львовского региона
принята панельная схема подготовки. Запасы отраба-
тываются длинными столбами обратным ходом.
Наибольшие запасы сосредоточены в пластах n9, n8
в и
n7
в. Специфика их разработки заключается в неодно-
кратной подработке и надработке, в наличии краевых
частей и целиков смежных пластов, создающих зна-
чительную концентрацию напряжений. В период с
1996 по 2001 годы в зонах повышенного горного
давления находилось 47.7% площади, отрабатывае-
мой 96-тью лавами. При этом 81% лав за период с
1996 по 2001 год работало в зонах влияния целиков и
краевых частей, из них 56.4% – в зонах повышенного
горного давления от целиков, оставляемых по двум-
трем пластам одновременно.
V. Busylo, T. Savelieva, V. Serdyuk, V. Saveliev, Yu. Demchenko. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(1), 80-86
81
В таких условиях среднеустойчивая кровля пере-
ходит в разряд неустойчивой, наблюдаются частые
вывалы пород, используемые механизированные
комплексы оказываются неработоспособными.
Для обеспечения эффективной работы лав в зонах
повышенного горного давления, очевидно, необхо-
димо установить адекватные значения силовых и
геометрических параметров механизированной кре-
пи, определить наиболее рациональную скорость
подвигания очистного забоя в конкретных горно-
геологических условиях. Все это требует проведения
тщательного анализа напряженно-деформированного
состояния (НДС) слоистого неоднородного массива
вокруг очистной выработки с учетом подработки и
надработки, а также наличия в исследуемой области
целиков и краевых частей. При этом для получения
объективных результатов важным является правиль-
ный выбор метода расчета.
Разработка методов расчета опорного давления
представляет значительные трудности в связи со
сложностью постановки задачи. На первых этапах
разработки методов расчета опорного давления авто-
рами массив горных пород имитировался однородной
изотропной упругой полуплоскостью с горизонталь-
ной прямоугольной щелью на произвольной глубине.
В настоящее время алгоритмы и методики расчета
параметров систем разработки в большинстве своем
используют численные методы. Одним из них явля-
ется метод конечных элементов, который позволяет
выполнять оценку влияния на проявление горного
давления структуры массива, физико-механические
свойства пород, глубина разработки, мощности пла-
ста (Buzilo, Savelieva, Saveliev, & Morozova, 2011).
Широкое применение находят современные
натурные методы, например, геодезические методы
контроля состояния массива, для установления зако-
номерностей проявления горного давления
(Nurpeisova, Saribaev, & Kurmanbaev, 2016). На осно-
ве шахтного эксперимента обоснованы границы до-
пустимой подработки весьма сближенных пластов.
(Kolokolov & Lubenets, 2000).
Изучению поведения подработанных и надрабо-
танных пород в однородном и слоистом массивах
посвящены теоретические исследования (Novikova,
Zaslavskaya, & Nalivayko, 2001; Lin’kov, 1983) и экспе-
риментальные Л.Н. Гапановича (Gapanovich, Gaydu-
kov, & Lavrukhin, 1974). В ряде работ рассматривают-
ся задачи геомеханики для подработанных и надра-
ботанных областей массива в связи с изучением под-
готовительной стадии динамических явлений (Pere-
pelitsa, 2001; Nikolin, Podkopaev, Skoropud, &
Savchenko, 1998).
Решения осуществляются на основе модели упру-
гой среды с заданием граничных условий в напряже-
ниях, получаемых путем натурных измерений. Одна-
ко, из-за отсутствия соответствующих эксперимен-
тальных данных, ими, как и самим подходом к реше-
нию, невозможно воспользоваться при рассмотрении
условий шахт Львовского региона.
Для достижения поставленной цели и решения
сформулированных задач были выполнены теорети-
ческие, прикладные и экспериментальные исследова-
ния НДС неоднородного слоистого массива приме-
нительно к разработке свиты сближенных угольных
пластов в сложных горно-геологических условиях.
Теоретические исследования включали анализ
горно-геологических и горнотехнических условий,
анализ существующих подходов к решению род-
ственных задач, выбор метода определения и крите-
рия оценки НДС исследуемой области массива,
обоснование расчетных схем. Результатом теоретиче-
ских исследований явился расчетный алгоритм, разра-
ботанный на основе метода граничных элементов.
В отличие от известных, разработанный алгоритм
позволяет определять нагрузку на механизированную
крепь при работе механизированных комплексов в
зонах повышенного горного давления (ПГД) от цели-
ков (краевых частей) смежных пластов в условиях
подработки и надработки. При этом учитывается
концентрация напряжений в области опорного дав-
ления впереди забоя и скорость подвигания лав.
2. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Степень влияния надработки и подработки на НДС
массива при выемке свиты пологих угольных пластов в
условиях шахт ГП “Львовуголь” оценивалась по вели-
чинам максимальных коэффициентов концентрации Ку
в кровле и почве разрабатываемого пласта в зонах вли-
яния целиков и краевых частей сближенных пластов.
Расчеты производились с помощью разработанного
алгоритма на основе метода граничных элементов.
Оценка устойчивости кровли и почвы разрабатываемых
пластов выполнялась по следующему критерию
(Novikova, Zaslavskaya, & Nalivayko, 2001), который
имеет вид:
( )( ) ( ) ( ) ( ) [ ]σ
σσψσσψσσψ
σ ≤
+++−+−−
=
2
411 2
3
2
1
2
31
2
31
экв , (1)
где:
σ1 и σ3 – наибольшее и наименьшее главные
напряжения, МПа;
ψ = σр / σс;
σр и σс – пределы прочности породы на растяже-
ние и сжатие, МПа;
[σ] – допустимое напряжение, определяемое как
отношение среднего значения предела прочности на
растяжение или сжатие к коэффициенту запаса
прочности.
Были рассмотрены следующие расчетные схемы:
1) при движении лавы на краевую часть смежно-
го пласта (по пласту n7
в в условиях надработки и
подработки);
2) при выходе лавы из зоны краевой части смеж-
ного пласта (по пласту n7
в в условиях надработки и
подработки);
3) оценка влияния целика (целик над очистным
забоем, целик под очистным забоем).
Исследования проводили при следующих исход-
ных данных: мощности m1, m2 и m3 пластов n7
н, n7
в и
п8 составляют соответственно 1.45, 0.65 и 1.50 м;
V. Busylo, T. Savelieva, V. Serdyuk, V. Saveliev, Yu. Demchenko. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(1), 80-86
82
глубина залегания разрабатываемого пласта п7
в
Н = 520 м; мощности междупластьев h1 = 16 м и
h2 = 13 м; физико-механические характеристики угля
и вмещающих пород брались по данным ВНИМИ
(Katalog mekhanicheskikh svoystv…, 1972).
В первой и второй расчетных схемах размер крае-
вой части пласта над (или под) очистным забоем по
пласту п7
в b = 70 м, зоны надработки и подработки
имеют одинаковые размеры lн = lп = 150 м. Длина
выработанного пространства позади очистного забоя
по пласту n7
в l составляла в расчетах значения 50,
100, 120, 140 и 150 м.
Расстояние L от очистного забоя до краевых ча-
стей смежных пластов при этом составляло 100, 50,
30, 10 и 0 м (забой под границей краевой части); –10,
–30 и –50 м (забой под краевой частью пласта). Часть
выработанного пространства (l – l1) заполнялась раз-
рушенными породами. Параметр l1 представляет
собой шаг обрушения непосредственной кровли,
определяемый из условия:
( ) [ ]yy uu ΔΔ ≤
max
. (2)
В этом условии (Δuy)mах – максимальное сближе-
ние почвы и кровли очистной выработки, позади
лавы, полученное расчетом, а [Δuy] – допустимое
значение Δuy, назначаемое исходя из результатов
шахтных наблюдений с учетом технических возмож-
ностей используемой механизированной крепи (воз-
никающие в лаве смещения пород почвы и кровли не
должны препятствовать нормальной работе очистно-
го оборудования).
При расчетах по третьей схеме рассматривались
пять различных положений линии очистного забоя по
отношению к границам выше- и нижерасположенно-
го целика: на подходе к нему (L = 30 м), непосред-
ственно под (над) границей (L = 0), под (над) средним
сечением целика (L = 25 м), под (над) второй грани-
цей (L = 0) и позади целика (L = 30 м). Ширина цели-
ка lц равнялась в расчетах 50 м, а размеры зон надра-
ботки lн и подработки lп по обе стороны от целика
составляли 100 м.
Выполнение серии расчетов для различных поло-
жений забоя по пласту п7
в позволило проследить за
изменением картины НДС в исследуемой области
массива по мере подвигания фронта очистных работ
и установить границы зон ПГД, необходимые для
обоснования параметров ведения очистных работ в
рассматриваемых горно-геологических условиях.
Типичные эпюры нормальных напряжений σу и
вертикальных смещений uу в почве и кровле разраба-
тываемого пласта п7
в, построенные по результатам
одного из вариантов расчетов по первой схеме в слу-
чае L = 50 м на подходе к краевой части (условия
надработки), изображены на Рисунке 1а, б.
Анализ данных этого расчетного варианта пока-
зал, что зона повышенного горного давления (пре-
вышающего уровень γН) в кровле вынимаемого пла-
ста п7
в в горизонтальном направлении впереди
очистного забоя простирается на 12 м. В вертикаль-
ном направлении она имеет протяженность 3.5 м в
кровле и 5 м в почве. Породы кровли позади очист-
ного забоя на участке l1 находятся в предельном
напряженном состоянии, при этом нарушается усло-
вие прочности по критерию (1).
(а)
L=50
47.6
26.5
14.4
21.3 41.4
x
y, МПа
n7
в
(б)
L=50 м
231.1
78.2
26.5
21.0
52.3
х
uy, мм
n7
в
Рисунок 1. Эпюры нормальных напряжений (а) и верти-
кальных смещений (б) в кровле и почве пла-
ста п7
в (условия надработки)
В зоне повышенного горного давления впереди
лавы максимум давления (напряжения σуу) приходит-
ся на сечение, расположенное на расстоянии а = 1 м
по оси Ох от забоя, а в зоне повышенного горного
давления позади лавы – на сечение, удаленное на 3 м
по оси Ох от забоя. Нагрузка Р0 на секцию механизи-
рованной крепи, создающаяся весом пород зоны
предельного напряженного состояния на длине l1,
составляет 114.7 кН/м.
При подработке, когда забой находится на рассто-
янии L = 50 м от края нижележащего пласта на под-
ходе к этому краю, протяженность зоны повышенно-
го горного давления составляет 14 м по оси Ох и рас-
пространяется вдоль оси Оу на 5 м в кровле (состав-
ляет 31.2% от h2) и на 5.5 м в почве (составляет 40.6%
от h1). Нагрузка Р0 на секцию механизированной
крепи в этом случае равна 127.8 кН/м.
Данные всех вариантов расчетов по оценке влия-
ния краевых частей сближенных пластов на напря-
женно-деформированное состояние кровли и почвы
разрабатываемого пласта п7
в в условиях надработки и
подработки приведены в Таблицах 1, 2. Это макси-
мальные значения коэффициента концентрации
напряжений (Ку)mах в зоне опорного давления впере-
ди очистного забоя, максимальные сближения кровли
и почвы в лаве и величины нагрузки Р0, которая дей-
ствует на секцию механизированной крепи от веса
пород, находящихся в зоне предельного напряженно-
го состояния над лавой.
V. Busylo, T. Savelieva, V. Serdyuk, V. Saveliev, Yu. Demchenko. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(1), 80-86
83
Таблица 1. Результаты анализа НДС кровли и почвы пласта п7
в при движении лавы на краевые части
Положение
очистного
забоя
Расстояние от забоя
до границ краевой
части, L, м
В условиях надработки В условиях подработки
Коэффициент
концентрации
напряжений
впереди забоя,
(Kу)mах
Конвергенция
в лаве,
(uу)mах, мм
Нагрузка
на секцию
крепи,
Р0, кН/м
Коэффициент
концентрации
напряжений
впереди забоя,
(Ку)mах
Конвергенция
в лаве,
(uу)mах, мм
Нагрузка
на секцию
крепи,
Р0, кН/м
на подходе
к краевой
части
100 2.65 173.1 76.1 2.72 167.3 80.4
50 3.40 231.5 114.7 3.26 253.3 127.8
30 3.51 285.4 115.6 3.67 240.1 135.4
10 3.59 251.3 123.6 3.85 248.8 141.0
0 3.86 238.0 126.7 4.13 248.2 137.2
под (над)
краевой
частью
–10 4.23 237.0 137.7 4.33 245.5 111.4
–30 4.35 246.6 135.0 4.35 240.9 81.3
–50 4.33 244.7 126.0 4.34 247.0 76.1
Таблица 2. Результаты анализа НДС кровли и почвы пласта п7
в при выходе лавы из-под краевых частей
Положение
очистного
забоя
Расстояние от забоя
до границ краевой
части, L, м
В условиях надработки В условиях подработки
Коэффициент
концентрации
напряжений
впереди забоя,
(Kу)mах
Конвергенция
в лаве,
(uу)mах, мм
Нагрузка
на секцию
крепи,
Р0, кН/м
Коэффициент
концентрации
напряжений
впереди забоя,
(Ку)mах
Конвергенция
в лаве,
(uу)mах, мм
Нагрузка
на секцию
крепи,
Р0, кН/м
под (над)
краевой
частью
30 2.35 120.0 85.5 2.35 120.1 84.1
10 2.96 159.0 106.2 2.98 159.8 108.1
0 3.56 197.9 136.3 3.60 199.8 103.2
при выходе
из-под
краевой части
–10 3.55 212.1 150.0 3.55 207.8 182.0
–30 3.70 244.6 169.2 3.69 229.1 215.7
–50 3.57 242.6 167.5 3.63 231.3 222.3
В Таблице 1 содержатся данные, относящиеся к
случаю движения лавы по направлению к краевым
частям, а в Таблице 2 – к случаю выхода очистного
забоя из-под краевых частей. Анализ полученных
результатов показал, что при движении в направлении
к краевой части в условиях надработки максимальный
коэффициент концентрации напряжений (Ку)mах, рав-
ный 4.35, возникает на расстоянии L = –30 м.
При этом нагрузка на механизированную крепь Р0
составляет 135 кН/м. С другой стороны в положении
при L = –10 м максимум имеет нагрузка на крепь
P0 = 137.7 кН/м, а коэффициент концентрации
напряжений (Ку)mах при этом составляет 4.23, т.е.
меньше, чем в первом случае.
Качественно такая же картина наблюдается и в
случае подработки с той лишь разницей, что сами
величины коэффициентов концентрации напряжений
(Ку)mах и нагрузок Р0 на крепь при подработке не-
сколько больше. Наиболее опасными являются в
этом случае положения при L = 10 м и L = –10 м.
Поэтому при определении рациональных силовых
параметров механизированной крепи необходимо
рассмотреть все эти положения и выбрать наиболее
опасные. В Таблице 1 соответствующие данные вы-
делены синим цветом.
При движении лавы в противоположном направ-
лении для крепи создаются наиболее неблагоприят-
ные условия, причем, как и в предыдущих случаях,
самые большие коэффициенты концентрации и
нагрузки на механизированную крепь возникают в
условиях подработки при L = –30 м и L = –50 м, в
Таблице 2 они выделены синим цветом. Именно на
эти положения следует обратить внимание при опре-
делении рациональных параметров механизирован-
ной крепи, работающей в зонах влияния краевых
частей смежных пластов. Результаты анализа НДС
кровли и почвы отрабатываемого пласта n7
в под (над)
целиками приведены в Таблице 3.
Как видно из этой таблицы, наиболее неблагопри-
ятными для механизированной крепи являются по-
ложения при L = 25 м и L = 0 м.
Результаты расчетов показали, что в условиях
надработки в этих случаях протяженность зоны ПГД
в горизонтальном направлении (по оси Ox) впереди
очистного забоя составляет 25 м. Вверх в вертикаль-
ном направлении (по оси Оу) в кровле она простира-
ется на 5.5 м, а вниз в почве на 3 м.
В предельном напряженном состоянии по крите-
рию (1) находятся породы кровли впереди очистно-
го забоя в области с размерами 2 – 4 м по оси Ох и
1.5 – 2 м по оси Оx. На расстоянии L = 25 м весом
разрушенных пород над лавой создается нагрузка на
секцию механизированной крепи Р0 = 168.4 кН/м, а
при L = 0 м – Р0 = 165 кН/м.
При подработке (лава над целиком) установлена та-
кая картина. Длина зоны повышенного горного давле-
ния (размер по оси Ох) впереди очистного забоя со-
ставляет 35 м. В вертикальном направлении (по оси Оу)
в кровле протяженность ее 6 м, а в почве 3 м. Нагрузка
на секцию механизированной крепи при L = 25 м со-
ставляет 224.5 кН/м, а при L = 0 – Р0 = 220.4 кН/м.
V. Busylo, T. Savelieva, V. Serdyuk, V. Saveliev, Yu. Demchenko. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(1), 80-86
84
Таблица 3. Результаты анализа НДС кровли и почвы пласта п7
в под (над) целиками
Положение
очистного
забоя
Расстояние от забоя
до границ краевой
части, L, м
В условиях надработки В условиях подработки
Коэффициент
концентрации
напряжений
впереди забоя,
(Kу)mах
Конвергенция
в лаве,
(uу)mах, мм
Нагрузка
на секцию
крепи,
Р0, кН/м
Коэффициент
концентрации
напряжений
впереди забоя,
(Ку)mах
Конвергенция
в лаве,
(uу)mах, мм
Нагрузка
на секцию
крепи,
Р0, кН/м
на подходе к
целику
30 2.81 195.9 72.4 2.88 190.2 108.6
0 3.04 196.7 99.7 3.26 203.1 136.1
под (над)
целиком
25 3.88 222.1 108.6 3.90 223.9 144.8
за целиком
0 4.35 277.2 106.4 4.34 268.5 142.0
30 4.40 314.1 90.3 4.44 295.6 126.4
Расстояние а от очистного забоя в глубь массива до
сечения, в котором возникает максимальная концен-
трация напряжений σуу, т.е. протяженность зоны от-
жима краевой части угольного пласта, как и при рабо-
те лавы в окрестности краевых частей смежных пла-
стов, во всех рассмотренных случаях близко к 1 м.
Таким образом, получены все необходимые вели-
чины для расчета рациональных силовых параметров
механизированной крепи при работе ее в зонах по-
вышенного и пониженного горного давления, а также
для определения скорости подвигания лавы и допу-
стимого расстояния между очистными забоями
сближенных пластов.
В работе рассмотрен также вопрос о НДС пород
вокруг подготовительной выработки при разработке
свиты пластов. Важнейшими условиями безопасной
работы угольных шахт является обеспечение рабочего
состояния всей сети горных выработок от поверхности
до очистных забоев с минимальными затратами на их
проведение и поддержание. Актуальность обеспечения
эксплуатационной устойчивости подготовительных
выработок в условиях разработки сближенных пластов
постоянно возрастает в связи с увеличением глубины
ведения горных работ. При этом на характере распре-
деления горного давления существенно сказываются
надработка или подработка. Поэтому при выборе спо-
соба охраны и крепления выработок, особенно в случае
слабых вмещающих пород, необходимо исходить из
анализа НДС массива с учетом конкретных горнотех-
нических ситуаций и горно-геологических условий.
Типичной для шахт Львовско-Волынского бас-
сейна является слоистая неоднородная среда, в кото-
рой напряженное состояние кровли и почвы сбли-
женных пластов претерпевает существенные измене-
ния под воздействием горных работ. Однако имею-
щиеся отраслевые документы, регламентирующие
расположение, охрану и поддержание горных выра-
боток, составлены на основе указаний ВНИМИ (Uka-
zaniya po upravleniyu gornym davleniem…, 1984), в
которых это изменение учитывается приближенно с
помощью эмпирических коэффициентов, установ-
ленных преимущественно для горно-геологических
условий Донецкого, Кузнецкого и Печорского место-
рождений. Аналогичный подход используется и при
описании структуры породного массива.
Для получения количественных оценок в отноше-
нии влияния мощности междупластьев и глубины
разработки расчеты выполнялись для ряда определя-
ющих параметров. На Рисунке 2 приведена одна из
рассмотренных расчетных схем.
40 м
60 м
30 м
30 м
H
Песчаник
Алевролит
Аргиллит
n
n
n
n
в
в
н
н
7
7
8
8
Алевролит
Алевролит
3 м
y
x
m
h
m
h
m
h
m
1
1
2
2
3
3
4
H
H
H
Рисунок 2. Расчетная схема к определению НДС вокруг
выработки
Анализ полученных данных (Novikova, Buzylo, &
Nalivaiko, 2000) показал, что с уменьшением мощно-
сти междупластья степень роста напряжений в зоне
опорного давления отрабатываемого пласта увеличи-
вается. Так, максимальный коэффициент концентра-
ции напряжений σy в кровле пласта в сечении х = 29 м
по отношению к уровню γН составляет Ку = 1.51 при
h2 = 6 м и Кy = 1.46 при h2 = 20 м.
В меньшей мере на коэффициенте концентрации Ку
сказывается глубина разработки H: и при H = 300 м и
при H = 600 м в сечении х = 29 м в кровле отрабатыва-
емого пласта Ку имеет одно и то же значение. В своде
подготовительной выработки на глубине Н = 300 м
при h2 = 6 м коэффициент концентрации эквивалент-
ного напряжения, подсчитанный по критерию (1),
достигает значения 2.1 и остается таким же на глубине
Н = 600 м. Абсолютное же значение максимального
эквивалентного напряжения при глубине H = 500 м
становится равным пределу прочности породы на
сжатие, а при H = 600 м уже в 1.2 раза превосходит
его. Рост напряжений в массиве, окружающем выра-
ботку, приводит к увеличению смещений на ее конту-
ре. Выполненные исследования показали, что при
увеличении глубины разработки с 300 до 600 м мак-
симальные вертикальные смещения uу в своде возрас-
тают в 2 раза. Не учет подобных изменений НДС во-
круг подготовительных выработок, попадающих под
влияние очистных работ по смежным пластам, при
выборе крепи являются одной из причин деформиро-
вания подготовительных выработок.
V. Busylo, T. Savelieva, V. Serdyuk, V. Saveliev, Yu. Demchenko. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(1), 80-86
85
3. ВЫВОДЫ
На основе метода граничных элементов разрабо-
тан эффективный расчетный алгоритм для определе-
ния НДС неоднородного массива применительно к
разработке свиты пологих сближенных угольных
пластов. В отличие от известных, разработанный
алгоритм учитывает наличие в исследуемой области
целиков и краевых частей угольных пластов в усло-
виях как надработки, так и подработки.
С помощью разработанного алгоритма для усло-
вий шахт ГП “Львовуголь” установлены границы зон
повышенного горного давления в кровле и почве
вынимаемого пласта, определены величины макси-
мальных коэффициентов концентрации напряжений
σy по отношению к уровню γН и найдена нагрузка,
действующая на секцию механизированной крепи от
веса пород, находящихся в области предельного
напряженного состояния в кровле над лавой.
В условиях шахт ГП “Львовуголь” при работе
очистных забоев в зонах влияния краевых частей
смежных пластов наиболее опасным, с точки зрения
проявлений горного давления, является период вы-
хода лавы из-под краевой части нижерасположенного
пласта. В частности, механизированная крепь оказы-
вается максимально нагруженной, когда забой нахо-
дится на расстоянии 5 – 10 м от краевой части. По-
этому рациональные силовые параметры механизи-
рованной крепи должны определяться по характери-
стикам НДС именно этой области массива.
При ширине целиков, оставляемых на смежных
пластах, до 50 м наиболее опасным для механизиро-
ванной крепи является режим ее работы в условиях
подработки, когда лава находится над средним сече-
нием целика и на подходе к краю целика (на расстоя-
нии L = 25 м). Данные положения являются опреде-
ляющими при расчете силовых параметров использу-
емой механизированной крепи.
При увеличении глубины разработки с 300 до
600 м максимальные смещения uу в своде подготови-
тельной выработки в условиях подработки возраста-
ют в 2 раза. Данный результат необходимо учитывать
при выборе типа поддерживающей крепи.
REFERENCES
Gapanovich, L.N., Gaydukov, Yu.G., & Lavrukhin, V.N.
(1974). Issledovanie zakonomernostey proyavleniya gor-
nogo davleniya v vyrabotannom prostranstve pri vyemke
uglya sloyami v Chelyabinskom basseyne. Ugol’, (2). 13-18.
Buzilo, V.I., Savelieva, T.S., Saveliev, V.A., & Morozova, T.I.
(2011). Substantiation of Chamber Parameters under
Combined Open-Cast and Underground Mining of Graph-
ite Ore Deposits. Technical and Geoinformational Sys-
tems in Mining, 19-22.
https://doi.org/10.1201/b11586-5
Katalog mekhanicheskikh svoystv gornykh porod. (1972).
Moskva: VNIMI.
Kolokolov, A.V., & Lubenets, N.A. (2000). O dopustimoy po-
drabotke ves’ma sblizhennykh plastov na shakhtakh Zapad-
nogo Donbassa. Naukovyi Vіsnik NGA Ukrainy, (4), 97-99.
Lin’kov, A.M. (1983). Ploskie zadachi o staticheskom nagru-
zhenii kusochnoodnorodnoy lineyno-uprugoy sredy. Pri-
kladnaya Matematika i Mekhanika, 47(4), 644-651.
Nikolin, V.I., Podkopaev, S.V., Skoropud, M.P., & Savchen-
ko, P.I. (1998). Novye predstavleniya (gipoteza) fizi-
cheskoy sushchnosti effektivnosti pervoocherednoy raz-
rabotki zashchitnykh plastov. Izvestiya Donetskogo Gor-
nogo Instituta, 1(7), 43-44.
Novikova, L.V., Buzilo, V.I., & Nalivayko, Ya.M. (2000).
Otsenka stepeni vliyaniya ochistnykh rabot na podgo-
tovitel'nye vyrabotki pri otrabotke sblizhennykh plastov.
Sbornik Nauchnykh Trudov NGA Ukrainy, (10), 35-38.
Novikova, L.V., Zaslavskaya, L.I., & Nalivayko, Ya.M. (2001).
Proyavlenie gornogo davleniya pri nadrabotke i podrabotke
plastovoy podgotovitel'noy vyrabotki. Naukovyi Vіsnik
NGA Ukrainy, (4), 34-35.
Novikova, L.V., Zaslavskaya, L.I., & Nalivayko, Ya.M. (2001).
Napryazhenno-deformirovannoe sostoyanie massiva pri raz-
rabotke svity plastov. Heotekhnichna Mekhanika, (25), 85-88.
Nurpeisova, M.B., Saribaev, O.A., & Kurmanbaev, O.S.
(2016). Issledovanie zakonomernostey razvitiya geomek-
hanicheskikh protsessov pri kombinirovannom sposobe raz-
rabotki mestorozhdeniy. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho
Hirnychoho Universytetu, (4), 30-36.
Perepelitsa, V.G. (2001). Upravlenie sostoyaniem gornogo
davleniya pri shchitovoy otrabotke tonkikh krutykh
ugol’nykh plastov. Inzhenernye Metody Prodotvrashcheni-
ya Gazodinamicheskikh Yavleniy pri Razrabotke Krutykh
Vybrosoopasnykh Ugol’nykh Plastov, 186-288.
Ukazaniya po upravleniyu gornym davleniem v ochistnykh
zaboyakh pod (nad) tselikami i kraevymi chastyami pri raz-
rabotke svity ugol’nykh plastov moshchnost’yu do 3.5 m s
uglom padeniya do 35°. (1984). Moskva: VNIMI.
ABSTRACT (IN RUSSIAN)
Цель. Оценка степени влияния надработки и подработки пород на напряженно-деформированное состояние
массива при выемке свиты пологих угольных пластов.
Методика. Проведен теоретический анализа горно-геологических и горнотехнических условий, анализ су-
ществующих подходов к решению родственных задач и на основе разработанного расчетного алгоритма мето-
дом граничных элементов, рассчитаны максимальные коэффициенты концентрации напряжений в кровле и
почве разрабатываемого пласта в зонах влияния целиков и краевых частей сближенных пластов.
Результаты. Для условий шахт ГП “Львовуголь” установлены границы зон повышенного горного давления
в кровле и почве вынимаемого пласта, определены величины максимальных коэффициентов концентрации
напряжений и найдена нагрузка, действующая на секцию механизированной крепи от веса пород, находящихся
в области предельного напряженного состояния в кровле над лавой. Установлено, что при работе очистных
забоев в зонах влияния краевых частей смежных пластов наиболее опасным, с точки зрения проявлений горно-
го давления, является период выхода лавы из-под краевой части нижерасположенного пласта.
Научная новизна. Проведен анализ напряженно-деформированного состояния слоистого неоднородного
массива вокруг очистной выработки с учетом подработки и надработки. Установлены реальные значения сило-
вых и геометрических параметров механизированной крепи, определена рациональная скорость подвигания
очистного забоя в конкретных горно-геологических условиях.
V. Busylo, T. Savelieva, V. Serdyuk, V. Saveliev, Yu. Demchenko. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(1), 80-86
86
Практическая значимость. В результате проведенных исследований получены необходимые данные для
выбора типа поддерживающей крепи и определения рациональных силовых параметров механизированной
крепи при работе ее в зонах повышенного и пониженного горного давления, а также для определения скорости
подвигания лавы и допустимого расстояния между очистными забоями сближенных пластов для условий шахт
Львовско-Волынского бассейна.
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, коэффициент концентрации напряжений,
свита пластов, подработка, надработка, целик, краевые части
ABSTRACT (IN UKRAINIAN)
Мета. Оцінка ступеня впливу надробки та підробки порід на напружено-деформований стан масиву при
виїмці свити пологих вугільних пластів.
Методика. Проведено теоретичний аналізу гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов, аналіз існуючих
підходів до вирішення споріднених задач та на основі розробленого розрахункового алгоритму методом грани-
чних елементів розраховані максимальні коефіцієнти концентрації напружень у покрівлі та ґрунті пласта в зо-
нах впливу ціликів і крайових частин зближених пластів.
Результати. Для умов шахт ГП “Львіввугілля” встановлено межі зон підвищеного гірського тиску в покрівлі
та ґрунті пласта, що виймається, визначені величини максимальних коефіцієнтів концентрації напружень і
знайдено навантаження, яке діє на секцію механізованого кріплення від ваги порід, що знаходяться в області
граничного напруженого стану в покрівлі над лавою. Встановлено, що при роботі очисних забоїв в зонах впли-
ву крайових частин суміжних пластів найбільш небезпечним, з точки зору проявів гірського тиску, є період
виходу лави з-під крайової частини пласта, який розташовано нижче.
Наукова новизна. Проведено аналіз напружено-деформованого стану шаруватого неоднорідного масиву
навколо очисної виробки з урахуванням підробки та надробки. Встановлено реальні значення силових і геомет-
ричних параметрів механізованого кріплення, визначена раціональна швидкість посування очисного забою у
конкретних гірничо-геологічних умовах.
Практична значимість. В результаті проведених досліджень отримані необхідні дані для вибору типу підт-
римуючого кріплення й визначення раціональних силових параметрів механізованого кріплення при роботі
його в зонах підвищеного та зниженого гірського тиску, а також для визначення швидкості посування лави і
допустимої відстані між очисними забоями зближених пластів для умов шахт Львівсько-Волинського басейну.
Ключові слова: напружено-деформований стан, коефіцієнт концентрації напружень, свита пластів, під-
робка, надробка, цілик, крайові частини
ARTICLE INFO
Received: 19 January 2017
Accepted: 28 February 2017
Available online: 30 March 2017
ABOUT AUTHORS
Volodymyr Busylo, Doctor of Technical Sciences, Professor of the Underground Mining Department, National Mining
University, 19 Yavornytskoho Ave., 1/35, 49005, Dnipro, Ukraine. E-mail: BuziloV@nmu.org.ua
Tamara Savelieva, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Basic Design of Mechanisms and
Machinery Department, National Mining University, 19 Yavornytskoho Ave., 1/125, 49005, Dnipro, Ukraine.
E-mail: savelievats@gmail.com
Volodymyr Serdyuk, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Underground Mining Department,
National Mining University, 19 Yavornytskoho Ave., 4/58, 49005, Dnipro, Ukraine. E-mail: serdyuk@gmail.com
Volodymyr Saveliev, Senior Lecturer of the Software Engineering Department, National Mining University,
19 Yavornytskoho Ave., 3/25, 49005, Dnipro, Ukraine. E-mail: savelyevva@gmail.com
Yurii Demchenko, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Underground Mining Department,
National Mining University, 19 Yavornytskoho Ave., 4/62, 49005, Dnipro, Ukraine. E-mail: dem.yu@nmu.org.ua
|