Обоснование геомеханических параметров откаточных штреков в условиях Центрального района Донбасса

Розглянуто результати інструментальних та теоретичних досліджень стійкості відкаточних штреків на шахтах Центрального району Донбасу. The results instrument and analytical investigations of stability of mine workings on mines of central region of Donbass are reviewed....

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Геотехнічна механіка
Date:2004
Main Author: Слащев, И.Н.
Format: Article
Language:Russian
Published: Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України 2004
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87334
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Обоснование геомеханических параметров откаточных штреков в условиях Центрального района Донбасса / И.Н. Слащев // Геотехнічна механіка: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2014. — Вип. 115. — С. 305-311. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860031901098573824
author Слащев, И.Н.
author_facet Слащев, И.Н.
citation_txt Обоснование геомеханических параметров откаточных штреков в условиях Центрального района Донбасса / И.Н. Слащев // Геотехнічна механіка: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2014. — Вип. 115. — С. 305-311. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Геотехнічна механіка
description Розглянуто результати інструментальних та теоретичних досліджень стійкості відкаточних штреків на шахтах Центрального району Донбасу. The results instrument and analytical investigations of stability of mine workings on mines of central region of Donbass are reviewed.
first_indexed 2025-12-07T16:52:26Z
format Article
fulltext 305 УДК 622.02:531 И.Н. Слащёв ОБОСНОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОТКАТОЧНЫХШТРЕКОВ В УСЛОВИЯХ ЦЕНТРАЛЬНОГО РАЙОНА ДОНБАССА Розглянуто результати інструментальних та теоретичних досліджень стійкості відкаточ- них штреків на шахтах Центрального району Донбасу. THE SUBSTANTIATION OF GEOMECHANICAL PARAMETERS FOR MINE WORKING IN CENTRAL REGION OF DONBASS CONDITIONS The results instrument and analytical investigations of stability of mine workings on mines of central region of Donbass are reviewed. Добыча полезных ископаемых подземным способом сопровождается резким ухудшением горно-геологической обстановки, что связано с увеличением глу- бины разработки, отработкой ранее законсервированных запасов, характери- зующихся сложным геологическим строением, длительным сроком эксплуата- ции капитальных выработок большинства шахт, а также со снижением затрат на профилактический ремонт выработок по причинам экономического характе- ра. Поэтому, в особо сложных горно-геологических условиях крутых пластов, для безопасной их отработки перспективно применение селективного диффе- ренцированного подхода к креплению и поддержанию выработок с использова- нием грузонесущей способности массива горных. Откаточные штреки в процессе эксплуатации подвергаются влиянию очист- ных работ и разрушаются под воздействием горного давления, значительно превышающем несущую способность крепи. К основным эксплуатационным характеристикам откаточных штреков относятся параметры способов крепле- ния и охраны на различных стадиях развития горных работ. Это форма и разме- ры поперечного сечения; несущая способность, податливость и плотность уста- новки крепи, особенности специальной крепи. Критериями их эффективности служит устойчивость выработки и затраты на ее проведение и поддержание. Решающее значение для устойчивости штреков имеет напряженно- деформированное состояние массива горных пород, которое обусловлено глу- биной, тектонической нарушенностью массива, современными геодинамиче- скими процессами и совокупностью конструктивных параметров горной выра- ботки. Для оценки напряженно-деформированного состояния большой практи- ческий смысл имеют эмпириоаналитические методы расчета. Поэтому за осно- ву приняты численные методы расчёта, в которых используются количествен- ные данные определения физико-механических свойств пород, измерений на- пряжений в натурных условиях, многочисленные измерения смещений подго- товительных выработок и результаты визуальных наблюдений за формами по- тери устойчивости породных обнажений. Проведено измерение смещений контура откаточных штреков на шахтах ПО «Артёмуголь» и ПО «Дзержинскуголь» (Таблица 1.). Исследования пока- 306 Т аб ли ца 1 – С м ещ ен ия ко нт ур а от ка то чн ы х ш тр ек ов в Ц ен тр ал ьн ом ра йо не Д он ба сс а, м Д о ла вы 5 0 м Н а ур ов не за бо я 10 0 м за ла во й Пласт Горизонт,м №станции Лежачийбок Висячийбок Кровля Почва ⊥напластованию ||напластованию Лежачийбок Висячийбок Кровля Почва ⊥напластованию ||напластованию Лежачийбок Висячийбок Кровля Почва ⊥напластованию ||напластованию 97 0 1 0, 05 0, 05 0, 10 0, 10 0, 15 0, 10 0, 75 0, 55 0, 70 0, 10 1, 20 0, 80 1, 05 0, 65 1, 65 0, 20 1, 80 1, 00 в к 3 97 0 2 0, 05 0, 05 0, 10 0, 05 0, 10 0, 10 0, 35 0, 55 0, 95 0, 30 1, 30 0, 75 0, 45 0, 55 1, 10 0, 60 1, 30 0, 80 97 0 1 0, 05 0, 10 0, 10 0, 05 0, 15 0, 10 0, 15 1, 15 0, 70 0, 20 1, 50 0, 45 0, 15 1, 25 0, 75 0, 30 1, 60 0, 45 6к 97 0 2 0, 00 0, 05 0, 05 0, 00 0, 10 0, 05 0, 20 0, 25 0, 30 0, 30 0, 40 0, 30 0, 35 0, 50 0, 55 0, 50 1, 20 0, 90 97 0 1 0, 00 0, 00 0, 05 0, 00 0, 05 0, 05 0, 20 0, 20 0, 30 0, 00 0, 25 0, 25 0, 20 0, 20 0, 30 0, 05 0, 25 0, 25 97 0 2 0, 00 0, 00 0, 05 0, 00 0, 00 0, 05 0, 10 0, 10 0, 30 0, 00 0, 20 0, 20 0, 10 0, 15 0, 30 0, 00 0, 20 0, 20 5l 97 0 3 0, 00 0, 00 0, 00 0, 00 0, 00 0, 00 0, 15 0, 25 0, 60 0, 05 0, 60 0, 55 0, 80 0, 40 1, 35 0, 10 0, 9 0, 75 97 0 1 0, 00 0, 00 0, 00 0, 00 0, 00 0, 00 0, 55 0, 35 1, 20 0, 20 0, 90 1, 20 0, 60 0, 50 1, 15 0, 35 1, 35 1, 20 2 8l 97 0 2 0, 05 0, 05 0, 10 0, 05 0, 10 0, 10 0, 40 0, 20 0, 10 0, 10 0, 45 0, 65 0, 70 0, 25 1, 00 0, 10 0, 45 0, 80 97 0 1 0, 00 0, 00 0, 00 0, 00 0, 00 0, 00 0, 15 0, 45 0, 75 0, 10 0, 90 0, 60 0, 35 0, 75 0, 90 0, 20 0, 90 0, 80 би с l2 8 97 0 2 0, 05 0, 00 0, 10 0, 00 0, 05 0, 05 0, 60 0, 20 0, 70 0, 05 0, 40 0, 65 0, 80 0, 45 0, 60 0, 05 0, 45 0, 80 64 0 1 0, 05 0, 00 0, 05 0, 10 0, 10 0, 15 0, 15 0, 25 1, 00 0, 20 1, 60 1, 05 0, 20 0, 45 1, 20 0, 25 1, 50 1, 70 2 m 97 0 2 0, 05 0, 05 0, 10 0, 05 0, 10 0, 10 0, 20 0, 25 0, 20 0, 15 0, 30 0, 30 0, 45 0, 55 1, 25 0, 20 1, 30 1, 30 97 0 1 0, 00 0, 00 0, 00 0, 00 0, 05 0, 00 0, 05 0, 05 0, 10 0, 00 0, 10 0, 10 0, 05 0, 05 0, 10 0, 05 0, 10 0, 20 97 0 2 0, 00 0, 05 0, 10 0, 00 0, 15 0, 10 0, 05 0, 10 0, 15 0, 00 0, 20 0, 15 0, 55 0, 75 1, 20 0, 10 1, 25 0, 95 3 m 97 0 3 0, 00 0, 00 0, 00 0, 00 0, 00 0, 00 0, 15 0, 25 0, 45 0, 05 0, 60 0, 20 0, 30 0, 55 0, 85 0, 05 1, 15 0, 45 97 0 1 0, 00 0, 05 0, 05 0, 00 0, 10 0, 05 0, 15 0, 15 0, 60 0, 10 1, 20 0, 70 0, 25 0, 35 0, 95 0, 10 1, 00 0, 60 5 m 97 0 2 0, 00 0, 00 0, 00 0, 00 0, 00 0, 00 0, 15 0, 25 0, 55 0, 05 0, 70 0, 20 0, 15 0, 35 1, 00 0, 05 1, 30 0, 50 97 0 1 0, 00 0, 05 0, 10 0, 00 0, 10 0, 05 0, 10 0, 30 0, 55 0, 10 0, 70 0, 60 0, 15 0, 45 0, 65 0, 15 0, 80 0, 60 1 5 m 97 0 2 0, 00 0, 00 0, 00 0, 00 0, 00 0, 00 0, 15 0, 35 0, 25 0, 15 0, 70 0, 35 0, 35 0, 55 0, 75 0, 25 1, 40 0, 50 3l 97 0 1 0, 05 0, 10 0, 10 0, 00 0, 20 0, 10 0, 15 0, 40 0, 20 0, 10 0, 60 0, 20 0, 50 0, 80 1, 40 0, 10 1, 7 0, 60 н l 4 97 0 1 0, 00 0, 05 0, 10 0, 05 0, 15 0, 05 0, 20 0, 35 0, 40 0, 15 0, 60 0, 20 0, 55 0, 65 1, 30 0, 50 1, 60 0, 75 307 зывают, что преобладающие смещения ориентированы по нормали к напласто- ванию, а это свидетельствует о неравномерном, асимметричном нагружении на крепь. Показатель асимметричности нагружения находится в пределах 1,12-2,5. Следовательно, необходимо применять асимметричные крепи, параметры кото- рых соответствуют направлению и интенсивности действующих нагрузок в системе крепь-массив, обусловленных напряженно-деформированным состоя- нием породного массива. Следует отметить, что конструкция асимметричных крепей несовершенна, а методы расчетов недостаточно проработаны. Откаточный штрек представляет собой нагруженную динамическую систе- му, которая постоянно изменяется за счет технологических процессов сооруже- ния, поддержания и эксплуатации, тесно связанных между собой. Крепь в сис- теме крепь-массив подвержена статическим нагрузкам от горного давления, за- бутовки, а также динамическим от влияния буро-взрывных работ и транспорта. Режим взаимовлияющей деформации, в котором работает подавляющее коли- чество крепей, предполагает совместную работу крепи и массива, при которой нагрузка на крепь определяется ее деформацией в процессе взаимодействия с массивом, а геомеханическими характеристиками крепи является несущая спо- собность и податливость. Расчёт параметров крепи рассмотрен в совокупности двух взаимосвязанных задач: расчета нагрузок на крепь с учетом геомеханических, технологических и конструктивных особенностей взаимодействия крепи с массивом; статического и прочностного расчета элементов крепи по найденным в первой задаче кон- тактным нагрузкам. Для откаточных штреков, пройденных в слабых вмещающих породах на глубоких горизонтах шахт Центрального района Донбасса, с целью повышения их устойчивости и обоснования рациональных параметров, выполнен числен- ный анализ напряженно-деформированного состояния углепородного массива в анизотропной среде, моделирующей массив пород методом конечных элемен- тов (МКЭ) при помощи системы автоматизированного ввода–вывода геомеха- нической информации [1,2]. Использована стандартная процедура МКЭ, реали- зующая алгоритм упруго-пластического деформирования среды с разупрочне- нием за пределом прочности. За критерий прочности принят наиболее экспери- ментально подтверждённый для твёрдых материалов критерий Кулона. Упруго- пластическое решение достигается итерационным процессом повторения упру- гих решений с сохранением исходной матрицы жёсткости системы. В качестве исходных данных в расчётную схему занесены: мощность пла- стов и физико-механические свойства пород; геометрические размеры вырабо- ток (учтены при построении расчётной схемы); отпоры крепей и средств усиле- ния (учтены приложением соответствующих дополнительных нагрузок в необ- ходимом направлении); параметры влияния горных работ на смежных участках (учтены предварительными расчётами НДС и использованы в постановке гра- ничных условий); тектонические нарушения и ослабления пород (применены при определении зональности нарушений и вводе пониженных прочностных и деформационных свойств). Массив рассмотрен как геометрически ограничен- 308 ное тело. Изучаемая область массива невелика и расположена в его глубине. Эта область ограничена изнутри контуром сечения выработки произвольной формы. Площадь поперечного сечения выработки в проходке принята 13,4 м2. Внешняя граница относится от контура на такое расстояние, на котором отсут- ствует влияние выработки на исходное напряженное состояние. Исходные за- данные силы, действующие на область: тектонические и гравитационные без влияния очистных работ и при их влиянии. Гравитационные силы обусловлены весом вышележащих пород и равны 21-22 МПа. Установлено, что в Централь- ном районе Донбасса максимальные напряжения имеют горизонтальную ори- ентировку и превышают вертикальные в 2,4-3,5 раза. Распределенная нагрузка на боковых границах исследуемой области определена из горизонтальной со- ставляющей тензора напряжений и составляет 60 МПа для песчаников и 55- 54 МПа для сланцев и угля. В узлах на контуре породного обнажения приложе- на нормальная распределенная нагрузка, моделирующая отпор стандартной крепи (рис. 1а). Физико-механические свойства приняты на основе усреднён- ных геологоразведочных данных. Прочностные свойства обладают значитель- ной анизотропией и изменяются по площади и по глубине. Поэтому для расче- тов приняты их средние значения, с учётом исходной трещиноватости и обвод- нённости. После предварительных расчётов, выполнено сопоставление расчёт- ных и экспериментальных данных. Поскольку любая реальная схема имеет ограниченную точность, то всегда может возникнуть необходимость её корректировки, которая проводится по ре- зультатам геофизического контроля. Численный анализ методом конечных элементов (МКЭ) основан на представлении исследуемой области в виде сово- купности плоских или пространственных элементов типа стержневых или рам- ных конструкций. Соблюдается физическая трактовка решаемых задач и прин- ципиальная возможность определения или задания свойств каждого элемента в отдельности. Методом электрометрического зондирования уточнена стадия де- формирования горного массива и внесены необходимые корректировки. Мето- дом виброакустического контроля оценена реальная нарушенность крепи вдоль откаточных штреков [3,4]. Численный анализ проведен для характерных сечений вне зоны влияния и в зоне влияния очистных работ по основным параметрам, влияющим на устойчи- вость выработки. Определены зоны наибольшего и наименьшего сжатия (кон- центрации 1σ , и зон разрывных нарушений, рис. 1б.), распространённость и геометрия зон разупрочнения, (неупругих деформаций, рис. 1в.), направление векторов главных сжимающих и касательных напряжений. Например, для пласта “Новый” горизонта 960 м шахты “Комсомолец» опре- делены зоны разрушения и зоны пластических деформаций в окрестности вы- работки, смещения контура выработки для различных форм поперечного сече- ния выработки. Производён выбор новой формы выработки с учетом деформи- рования массива. Для нового контура выполнена корректировка с учётом опти- мизации затрат на проведение, поддержание, транспорт и проветривание. Рас- четы произведены по данной схеме до тех пор, пока новые изменения 309 а) б) Ηγ Ηλγ Ηλγ в) г) Упругие деформации Деформации растяжения Неупругие деформации а) – расчётная схема; б) – эпюры главных напряжений, МПа; в) – состояние массива в зоне опорного давления с наложением векторов главенствующей трещиноватости; г) – после прохода лавы Рис. 1 – Исследование напряжённо-деформированного состояния породного массива методом конечных элементов 310 не привели к значительным уменьшениям деформаций и снижению затрат (рис. 1г). Анализ напряжённо-деформированного состояния показал, что зона неупру- гих деформаций несколько вытянута по напластованию. Это свидетельствует о преобладании нагрузки в перпендикулярном напластованию направлении. Ин- тенсивные смещения наблюдаются со стороны висячего бока пласта. Площадь зоны неупругих деформаций составляет 39,2 м2. По направлению и интенсив- ности смещений разработана новая конфигурация обнажения. Направления смещений со стороны висячего бока пласта представляют особый интерес, так как учитываются при выборе расположения замков крепи и их наклона. Пло- щадь зоны неупругих деформаций уменьшилась на 44 % и составила 26,3 м2. Простирание зоны неупругих деформаций для нового очертания обнажения со стороны висячего бока пласта уменьшилось с 2,5 до 1,5 м, а в кровле по пласту – с 4,3 до 3 м. Вертикальные смещения имеют тенденцию увеличения к верхней части выработки и достигают максимальных значений по центру сечения. Эти смещения определяются весом вышележащих пород. В то же время горизон- тальные смещения более интенсивны и преобладают со стороны висячего бока пласта. Смещения по горизонтальной оси, очевидно, определяются напластова- нием и геологической характеристикой массива. При изменении конфигурации обнажения смещения уменьшаются по всему контуру выработки на 10-25 %. Равнодействующая горизонтальных и вертикальных смещений для каждой точ- ки контура показывает направление рационального изменения контура. Ориен- тация техногенных трещин устанавливается вдоль главных напряжений парал- лельно обнаженной поверхности пласта [5]. Эти трещины способствуют разви- тию деформаций в сторону открытой полости. Можно отметить, что изменение очертания контура выработки влечет за со- бой эффект сглаживания напряжений по всем направлениям. Неблагоприятно для массива скачкообразное изменение напряжений в виде волны, которое от- четливо просматривается на сечении, перпендикулярном напластованию. Гор- ные породы, переходя в пластическое состояние, разгружают массив от напря- жений. Это влечет за собой развитие зоны неупругих деформаций. Поэтому при арочной форме выработки происходит волнообразное, резкое снижение напря- жений. При эллипсообразном своде обнажения напряжения более сглажены и горный массив в большей мере сам воспринимает энергию, освобождаемую при проведении горной выработки. Дальнейшее изменение конфигурации выработки в данном случае нецеле- сообразно. Произошло качественное изменение работы горного массива. По результатам исследований сделаны следующие выводы: 1. Нагрузка на крепь выработок крутых угольных пластов неравномерна как по контуру крепи, так и по ее простиранию. Она определяется прочностью и деформационными свойствами вмещающих пород, газодинамическим состоя- нием угольного пласта и направлением вектора главных напряжений, формой, размерами выработки, степенью забутовки закрепного пространства, влиянием сопряженных выработок и очистных работ. 311 2. Преимущественное заклинивание замков податливости металлической крепи (арочной или кольцевой) при неравномерной ее нагруженности приводит к неуправляемому разрушению крепи без формирования в массиве расчетных породных зон опорного давления, обеспечивающих длительное поддержание выработок. 3. Асимметричная форма выработки может быть элементом управления горным давлением (аналогично асимметрия податливости крепи или ее забу- товки), обеспечивающем на основе управляемого разрушения, в частности от- рывных явлений, смещение в глубь и формирование асимметричной относи- тельно контура выработки зоны опорного давления в слоистом массиве, сни- жающей влияние очистных работ на устойчивость за счет вовлечения массива в совместную работу с крепью. 4. Рациональной формой выработки для крутых пластов является асимметрич- ная с эллипсообразным сводом, ось симметрии которой лежит под углом 70-90о к восстанию пласта, а величина асимметричности обратно пропорциональна проч- ности угольного пласта, вмещающих пород почвы и кровли. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Слащёва Е.А., Яланский Алекс. А. Автоматизированная статистическая обработка промежуточной и вы- ходной информации программы «Геомеханика» на основе персональной ЭВМ // Геотехническая механика. – Днепропетровск, 2002. - № 40. –С. 102-105. 2. Слащёва Е.А. Разработка экспресс-методики прогноза устойчивости геоматериалов по изменению их электропроводящих свойств под воздействием гидрогеологических факторов // Геотехническая механика.- Днепропетровск, 2003.- №42.- С. 143-148. 3. Яланский А.А., Паламарчук Т.А., Слащёв И.Н. Акустический экспресс-контроль состояния породного массива и устойчивости горных выработок // Геотехническая механика. – Днепропетровск, 2000. -№22. –С.141- 143. 4. Яланский А.А., Паламарчук Т.А., Слащев И.Н., Яровая Т.И. Прогноз проявлений горного давления вбли- зи выработок методом математического моделирования и геофизической диагностики // Геотехническая меха- ника. – Днепропетровск, 2000.-№22. –С. 141-143. 5. Линьков А.М., Петухов И.М., Сидоров В.С. О росте трещин в подготовительной стадии и на фронте вы- броса // Труды ВНИМИ.- Л., 1997.- №106.- С.46-55.
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-87334
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1607-4556
language Russian
last_indexed 2025-12-07T16:52:26Z
publishDate 2004
publisher Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
record_format dspace
spelling Слащев, И.Н.
2015-10-17T08:58:29Z
2015-10-17T08:58:29Z
2004
Обоснование геомеханических параметров откаточных штреков в условиях Центрального района Донбасса / И.Н. Слащев // Геотехнічна механіка: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2014. — Вип. 115. — С. 305-311. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
1607-4556
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87334
622.02:531
Розглянуто результати інструментальних та теоретичних досліджень стійкості відкаточних штреків на шахтах Центрального району Донбасу.
The results instrument and analytical investigations of stability of mine workings on mines of central region of Donbass are reviewed.
ru
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
Геотехнічна механіка
Обоснование геомеханических параметров откаточных штреков в условиях Центрального района Донбасса
The substantiation of geomechanical parameters for mine working in Central region of Donbass conditions
Article
published earlier
spellingShingle Обоснование геомеханических параметров откаточных штреков в условиях Центрального района Донбасса
Слащев, И.Н.
title Обоснование геомеханических параметров откаточных штреков в условиях Центрального района Донбасса
title_alt The substantiation of geomechanical parameters for mine working in Central region of Donbass conditions
title_full Обоснование геомеханических параметров откаточных штреков в условиях Центрального района Донбасса
title_fullStr Обоснование геомеханических параметров откаточных штреков в условиях Центрального района Донбасса
title_full_unstemmed Обоснование геомеханических параметров откаточных штреков в условиях Центрального района Донбасса
title_short Обоснование геомеханических параметров откаточных штреков в условиях Центрального района Донбасса
title_sort обоснование геомеханических параметров откаточных штреков в условиях центрального района донбасса
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87334
work_keys_str_mv AT slaŝevin obosnovaniegeomehaničeskihparametrovotkatočnyhštrekovvusloviâhcentralʹnogoraionadonbassa
AT slaŝevin thesubstantiationofgeomechanicalparametersformineworkingincentralregionofdonbassconditions