Анализ производственной и научной информации показал, что на сегодняшний день полностью отсутствует регламентирование формы забоя подготовительных выработок, связанных с уровнем горного давления и устойчивостью горных пород. На рудных шахтах Украины, невзирая на изменения глубины горных работ и прочности горных пород, используется только прямолинейная форма плоскости забоя подготовительных выработок. При этом проведение горизонтальных и вертикальных подготовительных выработок в рудах и породах прочностью ниже 80 МПа на глубинах свыше 1200 м сопровождается активным вывалообразованием из плоскости забоя. При проведении горизонтальных выработок это приводит к опасности травмированию ног бурильщика, частичной потере пробуренных шпуров и нарушению паспорта БВР. В вертикальных выработках, которые при проходке приближаются к сопряжениям с горизонтальными, зачастую наблюдаются несанкционированное обрушение целиков, травмирование рабочих и поломка проходческого оборудования.
Иногда эта проблема решается сама собой за счет достижения высокого коэффициента полезного шпуров или от увеличенной длины врубовых шпуров, благодаря чему забой приобретает нелинейную форму, приближающуюся к локально выпуклой в центральной части сечения. Так или иначе, данная проблема не имеет научного обоснования, а ситуативное придание криволинейных форм забою выработок скорее является исключением из паспорта БВР не может служить рациональным техническим решением для эффективного управления энергией предохранительной капсулой выработки. Разработка методики определения радиусов закругления контуров забоя позволяет избежать негативных последствий от неуправляемого разрушения массива и предостеречь от несчастных случаев при нарушении технологии проходки выработок. Для определения устойчивой формы забоя подготовительной выработки, при известных ее геометрических размерах, рассчитываем сопряженные радиусы закругления контура выработки r и R (рис. 4.4).
1. Размер вертикальной полуоси а приконтурной зоны термодинамического дисбаланса энергии, направленной вдоль оси OZ, м
где d - ширина подготовительной выработки по почве, м; h - высота подготовительной выработки, м; λ - коэффициент формы приконтурной энергетической зоны.
2. Размер горизонтальной полуоси с приконтурной энергетической зоны, направленной вдоль оси OY, м
с = аλ.
3. Угол действия главного касательного напряжения ψ определяется по формуле (3.3).
4. Радиус закругления сводчатых частей забоя, т.е. малый радиус, м
5. Радиус закругления центральной части забоя т.е. большой радиус, м
R = с + (а - r)tgθ,
где θ - угол действия нормального напряжения, который определяется по формуле (3.2).
По результатам расчетов установлено, что с увеличением глубины можно добиться повышения устойчивости забоя подготовительной выработки за счет уменьшения радиуса закругления у кровли и почвы, а также увеличения радиусов закругления по центру забоя. Так, например, для условий проведения горнокапитальной выработки поперечным сечением 3,75x5,15 м (S = 19,3 м2) рациональные радиусы закругления массива забоя изменяются с увеличением глубины заложения по прямолинейным зависимостям (рис. 4.4). Радиусы закругления контуров забоя, кровли и боков выработки зависят от энергетического состояния горных пород, которое учитывает коэффициент формы энергетических зон λ (рис. 4.5). Установлено, что, изменяясь от единицы до нуля, коэффициент показывает устойчивую форму контура выработки.
Анализ результатов, проведенного автором моделирования показал, что вслед за формой приконтурной зоны изменяется и устойчивая форма контура забоя подготовительной выработки: от круглой у земной поверхности до эллипсоидной на большой глубине. Установлено, что с увеличением глубины разработки можно добиться повышения устойчивости плоскости забоя подготовительной выработки за счет придания устойчивых контуров закругления путем изменения сопряженных радиусов. Такая форма забоя максимально исключает развитие деформаций в массиве, образование области возможного разрушения пород. Если горизонтальные напряжения в ненарушенном и нарушенном выработкой массиве, действующими вдоль осей OX и OY, равны по абсолютным значениям, то значения радиусов в этих плоскостях будут идентичными. Другими словами, форма забоя будет иметь полуэллипсоидную форму, симметричную относительно горизонтальной оси выработки.
В условиях сооружения глубоких горизонтов рудных шахт для выработок большой площади эти мероприятия являются основными, что позволяет добиться снижения затрат на поддержание и крепление. Это происходит за счет придания устойчивых контуров закругления обнажениям выработки, которые соответствуют уровню энергетического состояния вмещающего массива пород. С приданием выработкам рациональных радиусов закругления контуров кровли и боков достигается максимальное снижение размеров областей интенсивного разрушения массива. Для определения устойчивой формы подготовительной выработки, при известных геометрических размерах, находим сопряжения радиусов закругления контура выработки r и R и построения устойчивого контура выработки, что выполняется в соответствии с «Едиными правилами безопасности...», согласно которым на высоте 1,8-2,05 м от почвы выработки должна быть выдержана сводчатая высота контура обнажения для выработок, предназначенных для транспортировки полезного ископаемого (рис. 4.6). Для подготовительных выработок, не являющимися откаточными, это условие не будет обязательным и предопределяет соответствующую методику расчета.
1. Размер вертикальной полуоси а приконтурной энергетической зоны, направленной вдоль оси OZ:
- для выработок, не предназначенных для транспортирования полезного ископаемого, определяется по формуле (4.5);
- для выработок, предназначенных для транспортирования, м
где d - ширина подготовительной выработки по почве, м; h - высота подготовительной выработки, м; m - расстояние от центра выработки до почвы, м; λ - коэффициент формы энергетических зон.
2. Размер горизонтальной полуоси приконтурной энергетической зоны в, направленной вдоль оси ОХ, определяется по формуле (3.4).
3. Положение почвы относительно центра выработки, м
m = h-a.
4. Угол действия главного касательного напряжения ψ определяется по формуле (3.25).
5. Радиус закругления сводчатой части выработки, т.е. малый радиус, м
6. Радиус закругления боковых стенок, т.е. большой радиус, м
R = в + (a - r)tgθ,
где θ - угол действия главного нормального напряжения, определяется по формуле (3.2)
Анализ результатов моделирования глубины возможного разрушения массива на контуре выработки показал, что на глубине 1500 м выработка с габаритными размерами 3,45х4,20 м будет иметь устойчивое состояние. На глубине 1820 м в кровле и почве выработки массив руды деформируется на 0,9 м. При производстве горных работ на горизонтах 1900, 1980 и 2060 м высота неустойчивой области массива руды в кровле выработки возрастает, соответственно, до 1,3; 1,7 и 2,0 м, а возможное разрушение его в почве выработки достигнет 1,4; 1,9 и 2,2 м.
- Временное крепление забоя выработок для шахт ПАО «МГОК»
- Порядок разработки, оценки и внедрения технологических решений добычи руд с использованием энергии горного давления
- Исследование параметров капсулирования выработок энергетическим методом
- Моделирование состояния ненарушенного массива энтропийным методом
- Разработка принципов и требований к синергетическим методам исследования зонального капсулирования горных выработок
- Моделирование зональной напряженности массива аналитическими методами
- Лабораторные исследования параметров зон на физические моделях
- Выявление зонального разрушения массива натурными методами
- Определение физических свойств горных пород в условиях залегания
- Усовершенствование классификации методов исследования состояния горных пород