Геомеханические исследования влияния очистных работ на устойчивость магистральных выработок

Наведено результати дослідження НДС геомеханічної моделі для двох положень очисного вибою відносно фіксованих перетинів магістральних штреків, які будуть використані для прийняття технічного рішення про доцільність відпрацювання 850 лави....

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2014
Автор:	Соцков, В.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України 2014
Назва видання:	Наукові праці УкрНДМІ НАН України
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99543
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:	Геомеханические исследования влияния очистных работ на устойчивость магистральных выработок / В.А. Соцков // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2014. — № 14. — С. 229-240. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99543
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-995432025-02-09T21:14:46Z Геомеханические исследования влияния очистных работ на устойчивость магистральных выработок Geomechanical Study of Stress-Deformation State of Coal Measures on the Basis of Fem Analysis Соцков, В.А. Наведено результати дослідження НДС геомеханічної моделі для двох положень очисного вибою відносно фіксованих перетинів магістральних штреків, які будуть використані для прийняття технічного рішення про доцільність відпрацювання 850 лави. The results of stress-strain state research of the geomechanical model for two working face positions relatively fixed sections of main roadways that will be used for the adoption of technical decision on expediency of working out the 850 lava. 2014 Article Геомеханические исследования влияния очистных работ на устойчивость магистральных выработок / В.А. Соцков // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2014. — № 14. — С. 229-240. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1996-885X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99543 622.281 ru Наукові праці УкрНДМІ НАН України application/pdf Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Наведено результати дослідження НДС геомеханічної моделі для двох положень очисного вибою відносно фіксованих перетинів магістральних штреків, які будуть використані для прийняття технічного рішення про доцільність відпрацювання 850 лави.
format	Article
author	Соцков, В.А.
spellingShingle	Соцков, В.А. Геомеханические исследования влияния очистных работ на устойчивость магистральных выработок Наукові праці УкрНДМІ НАН України
author_facet	Соцков, В.А.
author_sort	Соцков, В.А.
title	Геомеханические исследования влияния очистных работ на устойчивость магистральных выработок
title_short	Геомеханические исследования влияния очистных работ на устойчивость магистральных выработок
title_full	Геомеханические исследования влияния очистных работ на устойчивость магистральных выработок
title_fullStr	Геомеханические исследования влияния очистных работ на устойчивость магистральных выработок
title_full_unstemmed	Геомеханические исследования влияния очистных работ на устойчивость магистральных выработок
title_sort	геомеханические исследования влияния очистных работ на устойчивость магистральных выработок
publisher	Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
publishDate	2014
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99543
citation_txt	Геомеханические исследования влияния очистных работ на устойчивость магистральных выработок / В.А. Соцков // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2014. — № 14. — С. 229-240. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
series	Наукові праці УкрНДМІ НАН України
work_keys_str_mv	AT sockovva geomehaničeskieissledovaniâvliâniâočistnyhrabotnaustoičivostʹmagistralʹnyhvyrabotok AT sockovva geomechanicalstudyofstressdeformationstateofcoalmeasuresonthebasisoffemanalysis
first_indexed	2025-11-30T22:36:59Z
last_indexed	2025-11-30T22:36:59Z
_version_	1850256624383426560
fulltext	Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 14, 2014 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 14, 2014 229 УДК 622.281 ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ОЧИСТНЫХ РАБОТ НА УСТОЙЧИВОСТЬ МАГИСТРАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК Соцков В. А. (НГУ, г. Днепропетровск, Украина) Наведено результати дослідження НДС геомеханічної мо- делі для двох положень очисного вибою відносно фіксованих пе- ретинів магістральних штреків, які будуть використані для при- йняття технічного рішення про доцільність відпрацювання 850 лави. The results of stress-strain state research of the geomechanical model for two working face positions relatively fixed sections of main roadways that will be used for the adoption of technical decision on expediency of working out the 850 lava. Основная задача исследований состоит в установлении вли- яния отработки 850 лавы пласта с8н ШП «Западно-Донбасская» ПСП «Шахтоуправление Терновское» ПАО «ДТЭК Павлограду- голь» на устойчивость магистральных выработок (западный ма- гистральный конвейерный штрек № 3 и восточный магистраль- ный вентиляционный штрек гор. 420-445 м). Необходимо оце- нить изменение напряженно-деформированного состояния (НДС) в массиве в целом и его части, вмещающей непосредственно ма- гистральные штреки. Для этого на модели МКЭ рассчитывается поле распределения каждой компоненты напряжений (вертикаль- ных σy и приведенных σ) для двух положений очистного забоя 850 лавы относительно фиксированного сечения указанных маги- стральных штреков: – участок выработки находится вне зоны влияния очистных работ; Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 14, 2014 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 14, 2014 230 – участок выработки попадает в зону максимального опор- ного давления впереди 850 лавы. Сравнение двух полученных при этом полей напряжений по каждой компоненте напряжений преследует цель – определение увеличения объемов пород, находящихся в предельном состоя- нии в окрестности магистральных штреков, с последующей оценкой степени увеличения нагрузки на их крепежные системы. Разработана геомеханическая модель для проведения иссле- дований НДС массива, общий вид которой приведен на рисун- ке 1. Строение левой части модели соответствует литологической колонке 850 лавы с учетом физико-механических свойств пород. Рис. 1. Общий вид геомеханической модели к расчету НДС массива на участке шахтного поля в районе 850 лавы Анализ НДС массива в окрестности магистральных штреков и его изменения при отработке 850 лавы. Произведен расчет его НДС для двух положений очистного забоя относительно фиксированных сечений магистральных штреков: вне зоны влияния очистных работ и в зоне максималь- ного опорного давления впереди 850 лавы. Поэтому полученные поля всех компонент напряжений сгруппированы по двум ука- занным положениям. Для получения представлений обо всей кар- тине исследуемой области массива приведены общие эпюры по каждой компоненте напряжений в более мелком масштабе. Для изучения особенностей распределения НДС непосредственно во- круг магистральных штреков эпюры каждой компоненты даны в более крупном масштабе и также группируются по двум положе- ниям относительно очистного забоя. Это семейство эпюр позво- ляет оценить степень влияния отработки 850 лавы и связанное с Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 14, 2014 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 14, 2014 231 ней изменение объемов неустойчивых пород вокруг магистраль- ных штреков. Поле распределения вертикальных напряжений. Анализ НДС выполнен, начиная с вертикальных напряже- ний σy, поля которых приведены на рисунке 2 для общей модели исследуемого участка шахтного поля. Вне зоны влияния очист- ных работ (см. рис. 2 а) наблюдается равномерное поле распреде- ления yσ за исключением участков массива, примыкающих к ма- гистральным штрекам. Исходная величина σy = 10,5...11,5 МПа соответствует глубине заложения выработок, а постоянство σy на различных участках модели вполне объясняется стабилизацией геомеханических процессов в частично подработанном массиве, ведь с момента окончания очистных работ на примыкающих к 850 лаве выемочных участках прошло от 5–6 до 9–10 лет. За этот период времени частично или полностью разрушен- ные породы определенным образом консолидировались в менее крепкий, но достаточно связный массив, который, благодаря сво- им пониженным деформационным характеристикам, способен существенно нивелировать возникшие ранее аномалии горного давления и по прошествии значительного времени релаксацион- ные процессы в легкодеформируемой среде восстанавливают горный массив в исходное достаточно однородное состояние. При попадании магистральных штреков в зону опорного давления 850 лавы однородность поля σy нарушается (см. рис. 2 б) – в первую очередь к западному магистральному конвейерному штреку № 3 приближается область повышенного вертикального давления. Параметры этой области оценивается в виде коэффициента концентрации ky, равного отношению дей- ствующих вертикальных напряжений σy к их усредненной ис- ходной величине σy=γH=11 МПа. На расстоянии х = 8,0–8,5 м по- является небольшая концентрация σy порядка ky = 1,18–1,34, ко- торая при удалении от выработки резко возрастает: на расстоянии =x 24–27 м ky =1,66–1,82; при удалении более 30 м концентрация σy достигает значений ky = 2–5 и более. Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 14, 2014 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 14, 2014 232 Рис. 2. Поля вертикальных напряжений yσ в общей модели: а) вне зоны влияния очистных работ 850 лавы; б) в зоне максимального опорного давления впереди 850 лавы Для определения степени влияния зоны опорного давления впереди 860 лавы на магистральные штреки проанализируем эпюру yσ , построенную в более крупном масштабе на рисунке 3. Вне зоны влияния очистных работ (см. рис. 3 а) наблюдается тра- диционная картина [1–4] распределения yσ в окрестности выра- ботки: в кровле и почве образуются зоны разгрузки, в боках – зо- ны повышенного горного давления. Зона разгрузки в кровле рас- пространяется на высоту до 13–14 м с пониженным =yk 0,76– 0,86; однако, область полной разгрузки относительно невелика – высота свода предельного равновесия не превышает 1,0 м, что тождественно вертикальной нагрузке на крепежную систему до 80–90 кН – это в несколько раз меньше несущей способности рамной крепи серии КШПУ. Однако следует помнить, что оба магистральных штрека проведены по обрушенным породам в пределах области их максимального дробления, соответствую- щей их наибольшей степени потери прочностных свойств с пол- ным отсутствием сопротивления растяжению. Поэтому с течени- ем времени вполне допустимо прогнозировать увеличение разме- ров свода обрушения сначала до высоты 3,5–4,0 м, а затем на б) а) Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 14, 2014 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 14, 2014 233 полную высоту зоны разгрузки. При этом величина нагрузки от веса пород внутри свода уже повышает несущую способность рамной крепи [5] в 2–2,5 раза и вполне вероятно потребуется ее существенное усиление или проведение затратных ремонтно- восстановительных работ. То есть, еще вне зоны влияния очист- ных работ, например, 850 лавы можно прогнозировать неустой- чивое состояние магистральных штреков. В зоне максимального опорного давления происходят следующие, на первый взгляд, противоречивые тенденции. С одной стороны, область действия растягивающих напряжений σy уменьшается, а зона разгрузки (ky=0,55–0,65) остается прежних размеров. Но с другой стороны общая зона разгрузки не только возрастает по высоте до 27–30 м, но и затрагивает по ширине соседний восточный магистральный вентиляционный штрек, размещенный на расстоянии 40 м. Без- условно, не весь указанный объем горного массива может перейти в неустойчивое состояние, но даже если его часть (при активации процессов расслоения) будет участвовать в формировании нагруз- ки на крепежные системы магистральных штреков, то вполне про- гнозируемо их весьма неустойчивое состояние, что и наблюдалось на практике при отработке 872 и 874 лав. Аналогичные выводы можно сделать и по отношению к сте- пени устойчивости пород почвы магистральных штреков. Здесь, как вне зоны, так и в зоне опорного давления, развиваются более обширные (чем в кровле) области разгрузки. Причем, растягива- ющие σy развиваются на глубине до 1,5 м, что выходит за преде- лы непосредственной почвы и обуславливает при их расслоении активизацию процесса пучения. Теперь рассмотрим области концентрации σy в боках выра- ботки. Вне зоны влияния очистных работ небольшая концентра- ция σy (ky = 1,08–1,18) распространяется на высоту до 9–11 м и ширину до 6–8 м; но в приконтурных породах на высоту до 5,5– 6,5 м и ширину до 2,5–3 м концентрация σy возрастает до не- скольких единиц и превышает сопротивление сжатию даже нена- рушенных пород непосредственной кровли и почвы пласта. Здесь образуются области разупрочнения уже консолидированных ра- нее обрушенных пород, которые провоцируют развитие значи- Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 14, 2014 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 14, 2014 234 тельной боковой нагрузки на крепежную систему и требуется ее усиление в боковом направлении. Рис. 3. Поля вертикальных напряжений yσ в окрестности магистральных штреков: а) вне зоны влияния очист- ных работ 850 лавы; б) в зоне максимального опор- ного давления при подходе 850 лавы а) б) Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 14, 2014 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 14, 2014 235 В зоне максимума опорного давления впереди 850 лавы также наблюдаются разновекторные тенденции. С одной сторо- ны, размеры областей концентрации σy сокращаются по причине формирования вокруг магистральных штреков обширной области частично разгруженного массива. С другой стороны, к левому борту западного магистрального конвейерного штрека № 3 вплотную подходит область небольших концентраций σy (по от- ношению к σсж целостной породы) и располагается на расстоя- нии 9,5–10 м от контура штрека; с учетом приконтурной разупрочненной области это расстояние сокращается до 6,5–7 м. Принимая во внимание условия поддержания штрека, проведен- ного по обрушенным породам, можно прогнозировать формиро- вание в его левом борту (ближнем к 850 лаве) весьма обширной области разупрочненного массива в десятки метров, которая не только создает повышенную боковую и косонаправленную нагрузку, но и способствует несимметричному нагружению кре- пежной системы штрека, что снижает ее несущую способность. По итогам анализа эпюр распределения вертикальных напряжений σy выработано следующее мнение по поводу ожида- емого влияния отработки 850 лавы на устойчивость магистраль- ных штреков: – во-первых, в кровле выработок активизация процессов расслоения вмещающих пород способна сформировать нагрузку на крепежную систему, в 2–2,5 раза превышающую ее несущую способность; – во-вторых, те же процессы провоцируют интенсивное раз- витие пучения почвы штреков; – в-третьих, возможно образование обширной области разупрочненных пород в левом борту Западного магистрального конвейерного штрека № 3 с воздействием значительных боковых и косонаправленных нагрузок на его крепежную систему. Все отмеченные прогнозные факторы будут способствовать ухудшению эксплуатационного состояния, прежде всего, Запад- ного конвейерного штрека № 3 при отработке 850 лавы, а также в определенной степени усложнить поддержание и ВМВШ гор. 420–445 м. Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 14, 2014 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 14, 2014 236 Поле распределения приведенных напряжений. Величина приведенных напряжений σ характеризует интен- сивность напряженного состояния породного массива, которая по закону Кулона-Мора, общепринятому для горных пород [19, 23– 25], равна 3sin1 sin1 131 σ ϕ ϕσσσσ − + −=−= A , (1) где σ1 и σ3 – максимальные и минимальные главные напря- жения по элементарному объему; φ – угол внутреннего трения горной породы. На рисунке 4 приведены эпюры σ для общей модели, и ре- зультаты их анализа закономерно соответствуют уже выявленным особенностям распределения компонент σy и σx (горизонтальные напряжения в статье не представлены, однако использовались в анализе). Рис. 4. Поля распределения интенсивности напряжений σ в общей модели: а) вне зоны влияния очистных работ 850 лавы; б) в зоне максимального опорного давле- ния впереди 850 лавы Вне зоны влияния очистных работ (см. рис. 4 а) поле интен- сивности напряжений практически однородно за исключением приконтурных пород магистральных штреков, где в кровле и а) б) Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 14, 2014 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 14, 2014 237 почве сформированы зоны разгрузки, а в боках – зоны концен- трации σ. Опорное давление впереди 850 лавы (см. рис. 4 б) ко- ренным образом меняет распределение σ в кровле и почве пласта c8 н, а также распространяет влияние на обрушенные и консоли- дированные породы, где эксплуатируются магистральные штреки. В углевмещающем массиве в районе 850 лавы интенсивность напряжений σ увеличивается многократно в менее жестких слоях, а в более жестких (песчаники, мощные слои алевролитов) возрас- тает до 70–100 МПа и являются разрушающими напряжениями. Такая высокая концентрация напряжений в слоях впереди очистного забоя, безусловно, влияет на примыкающий массив ранее обрушенных и уплотненных пород – это воздействие по- степенно снижается по мере удаления от лавы в сторону маги- стральных штреков. Тем не менее, прослеживается ряд тенден- ций, негативно влияющих на устойчивость выработок (рис. 5). Во-первых, исчезают зоны разгрузки в кровле и почве, а разру- шающие напряжения σ в приконтурных породах действуют по всему периметру выработки. Во-вторых, к западному маги- стральному конвейерному штреку № 3 приближаются зоны дей- ствия концентраций σ, разупрочняющие обширные области мас- сива. Если сравнивать величину σ с сопротивлением сжатию по- род кровли и почвы пласта с8 н в целостном состоянии, то зоны разрушения располагаются на расстоянии 12–20 м, а для более слабых пород непосредственной почвы это расстояние сокраща- ется до 7–8 м с появлением локальных очагов разрушения по всей рассматриваемой области. С учетом пониженного сопротив- ления сжатию обрушенных и уплотненных пород можно прогно- зировать, что все пространство со стороны обрабатываемого участка 850 лавы будет подвергнуто разупрочнению и сформиру- ется значительная боковая и косонаправленная нагрузка на кре- пежную систему Западного магистрального конвейерного штрека № 3. Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 14, 2014 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 14, 2014 238 Рис. 5. Поля распределения интенсивности напряжений σ в окрестности магистральных штреков: а) вне зоны влияния очистных работ 850 лавы; б) в зоне макси- мального опорного давления впереди 850 лавы Выводы. По результатам численного моделирования геомеханиче- ских процессов в районе планируемого ведения очистных работ в 850 лаве сформулированы основные выводы относительно их воздействия на устойчивость западного магистрального конвей- ерного штрека № 3 и восточного магистрального вентиляционно- а) б) Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 14, 2014 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 14, 2014 239 го штрека гор. 420–445 м, проведенных и поддерживаемых в мас- сиве обрушенных и уплотненных пород 848 разгрузочной лавы. 1. В наибольшей степени влиянию 850 лавы будет подвер- жен западный магистральный конвейерный штрек № 3, хотя со- стояние обеих выработок еще до начала очистных работ можно оценить как неустойчивое из-за интенсивного развития проявле- ний горного давления в виде формирования повышенной нагруз- ки на крепежные системы, накопления значительных перемеще- ний породного контура по всему периметру выработки. 2. В кровле магистральных выработок прогнозируется уве- личение нагрузки на крепежные системы до 2–2,5 раз превыша- ющей несущую способность применяемых рамных крепей. В этой связи необходимо их усиление в вертикальном направлении современными способами, например, образованием армопород- ной грузонесущей конструкции за счет более густой сетки арми- рования приконтурных пород анкерами, установкой канатных анкеров, стоек крепи усиления и тому подобное. 3. Возможно образование обширных областей разупрочнен- ных пород со стороны 850 лавы, которые сформируют значи- тельную боковую и косонаправленную нагрузку на крепежную систему магистральных выработок. Поэтому требуется ее усиле- ние в боковом направлении, где сопротивление традиционных конструкций рамных крепей явно недостаточно. 4. Прогнозируется активизация процессов пучения почвы, что в условиях поддержания выработок по обрушенным породам потребует выполнения ее периодической подрывки. 5. Данные прогнозные факторы способствуют ухудшению эксплуатационного состояния магистральных выработок. Поэто- му принятие технического решения о целесообразности отработ- ки 850 лавы в значительной степени определяется соотношением затрат на поддержание магистральных штреков и прибылью от добычи угля в 850 лаве. СПИСОК ССЫЛОК 1. Геомеханика нагружения крепи очистных и подготовитель- ных выработок в слоистом массиве слабых пород [Текст] : Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 14, 2014 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 14, 2014 240 монография / В. И. Бондаренко, И. А. Ковалевская, Г. А. Си- манович, В. Г. Черватюк. –– Днепропетровск : ТОВ «Лізуно- вПрес», 2012. –– 236 с. 2. Бондаренко В. И. Экспериментальные исследования устойчи- вости повторно используемых выемочных выработок на по- логих пластах Донбасса [Текст] : монография / В. И. Бондаре- нко, И. А. Ковалевская, Г. А. Симанович и др. –– Днепропет- ровск : ТОВ «ЛізуновПрес», 2012. –– 426 с. 3. Бондаренко В. И. Геомеханика взаимодействия анкерной и рамной крепей горных выработок в единой грузонесущей си- стеме [Текст] : монография / В. И. Бондаренко, Ю. Я. Черед- ниченко, И. А. Ковалевская, и др. –– Днепропетровск : ТОВ «ЛізуновПрес», 2010. –– 174 с. 4. Бондаренко В. И. Развитие научных основ повышения устой- чивости горных выработок шахт Западного Донбасса [Текст] : монография / В. И. Бондаренко, А. В. Мартовицкий, И. А. Ко- валевская, и др. –– Днепропетровск : ТОВ «ЛізуновПрес», 2010. –– 340 с. 5. Кириченко В. Я. Металлорамные штрековые крепи нового те- хнического уровня [Текст] / В. Я. Кириченко // Матер. IV Междунар. науч.-практ. конф. «Школа подземной разработ- ки». –– Днепропетровск : «ЛізуновПрес» 2010. –– С. 241––266.

Геомеханические исследования влияния очистных работ на устойчивость магистральных выработок

Репозитарії

Схожі ресурси