Кузьменко Микола Семенович. Розвиток наукових основ обвалюваності пород і запобігання травматизму в очисних виробках вугільних шахт

Краткое описание

Кузьменко Микола Семенович. Розвиток наукових основ обвалюваності пород і запобігання травматизму в очисних виробках вугільних шахт : Дис... д-ра наук: 05.26.01 - 2007.

Кузьменко М.С. Розвиток наукових основ обвалюваності пород і запобігання травматизму в очисних виробках вугільних шахт. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.26.01 «Охорона праці». Державний Макіївський науково-дослідний інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості, Макіївка, 2007.
Дисертацію присвячено теоретичному узагальненню і рішенню актуальної науково-технічної проблеми, яка полягає в запобіганні травматизму від обвалювань пород в очисних гірничих виробках вугільних шахт на основі встановлених геомеханічних особливостей процесу руйнування вуглевміщуючих бічних пород у результаті зміни їх напружено-деформованого стану, встановленню ступеня впливу діючих факторів на травматизм від обвалювань, розробці прогресивних засобів та способів запобігання обваленням та травматизму.
Вперше встановлено функціональну залежність показників травматизму під час обвалювання пород від типу структури покрівлі вугільного пласта, розкрито головні закономірності прояву травматизму у разі обвалювань пород залежно від складу покрівлі, глибини ведення гірничих робіт і потужності безпосередньої покрівлі вугільного пласта, кількості порушень вимог нормативних документів.
Наукові результати дисертаційної роботи увійшли до нормативних документів, що регламентують порядок застосування розроблених автором засобів і способів запобігання травматизму від обвалювань пород. Внаслідок упровадження результатів дисертаційної роботи у вугільній промисловості України досягнуто зменшення кількості травмованих від обвалювання пород на 20% і одержано економічний ефект у розмірі 11943 тис. грн.

У дисертаційній роботі надано теоретичне узагальнення й практичне рішення актуальної науково-технічної проблеми, що полягає у запобіганні травматизму від обвалювань пород в очисних виробках вугільних шахт на основі встановлення геомеханічних особливостей процесу руйнування вуглевміщуючих бічних пород у результаті зміни їх напружено-деформованого стану, установлення ступеня впливу різних факторів на травматизм від обвалювань, розробки і впровадження прогресивних засобів і способів кріплення привибійного простору.
Основні наукові та практичні результати роботи зводяться до наступного.
1. Розкрито сутність впливу на руйнування бічних пород вугільного пласта знакозмінних навантажень попереду очисного вибою в результаті зміни напружено-деформованого стану масиву. Речовинний склад вуглевміщуючих бічних пород, а також рівень зміни його за різного ступеню метаморфізму визначають різну здатність пород до обвалювань і втрати стійкості.
2. Попереду очисного вибою на відстані 2-3 м, в міру збільшення довжини консолі основної покрівлі, що зависає, створюються найсприятливіші умови руйнування пород у результаті розтягуючих напруг шляхом відриву. За цією ділянкою вглиб масиву розташовано область стискуючих напруг, які, у свою чергу, разом із дотичними напругами викликають початок розвитку тріщин у покрівлі.
3. Обвалювання покрівлі є випадковим процесом, що змінюється за часом, який підлягає експоненціальному законові. Параметри вивалів відносно невеликі, тому їх обваленню можна запобігти за допомогою спеціальних видів верхняків підвищеної несучої здатності, що дозволяють перекривати безстояковий привибійний простір без заходу робітника в травмонебезпечну зону. Імовірність травмування від обвалювань пород підлягає логарифмічно-нормальному закону.
4. На стійкість покрівлі впливає ступінь метаморфізму вугілля. Зі збільшенням метаморфізму вугіль різних марок (від Д до А) фізико-механічні властивості пород змінюються убік підвищення міцнісних характеристик. Границя міцності на стиск за всіма інтервалами зміни ступеня метаморфізму у пісковиків збільшується в 3 рази, в алевролітів - в 1,8 рази, в аргілітів - в 2 рази. Попереду очисного вибою існує зона пластичного стану, в якій відбувається зниження та вирівнювання напруг, як у самому пласті вугілля, так і у вміщуючих його бічних породах. У зоні підвищеного опорного тиску поперед очисного вибою мають місце знакозмінні навантаження.
5. Обвалювання та вивали пород перебувають у прямій пропорційній залежності від ступеня тріщинуватості пород і площі оголення покрівлі. Параметри вивалів (ширина, довжина, висота) характеризуються невеликими розмірами: 85% вивалів мають висоту до 0,6 м; 65% мають ширину до 0,9 м і близько 50% мають довжину до 1,5 м. Найбільша кількість вивалів відбувається в безстояковому привибійному просторі лав на дільниці вигину конвеєра, у нішах і на сполученнях лави зі штреками. Вивали і обвалення знижуються у разі скорочення площі оголення до 5,0 м2і зменшенні до 0,3-0,5 м відстані від вугільного вибою до місця контакту верхняка з покрівлею. Обвалювання та вивали пород зростають за зближенням місць посадки покрівлі та виїмки вугілля. Сумарна площа обвалювань при цьому зростає в 12 разів, кількість вивалів - в 5,5 разів, а обсяг породи, яка обвалилась, в 16 разів. Відсутність науково обґрунтованої організації праці в очисних виробках створює передумови для порушень паспорта управління покрівлею та кріплення і виникненню обвалювань покрівлі.
6. Вперше встановлено залежність травматизму за фактором „обвалення” пород від літологічного складу (структури) покрівель вугільного пласта, глибини ведення робіт, потужності безпосередньої покрівлі та кількості порушень вимог нормативної документації. Зі збільшенням глибини ведення гірничих робіт число травмованих зростає. З підвищенням стійкості безпосередньої покрівлі вугільного пласта і її потужності травматизм від обвалювань знижується. Травматизм знижується зі збільшенням числа виявлених порушень правил безпеки в очисній гірничій виробці. Найбільша ймовірність травмування від обвалювань пород покрівлі має місце з організаційних причин.
7. За виїмки ціликів вугілля в результаті скорочення їх ширини до розмірів менших за ширину зони опорного гірського тиску, відбувається їх перехід у гранично-напружений стан, при якому погіршується стан покрівлі, збільшується інтенсивність обвалів та обвалювань пород, збільшується зсув бічних пород. Коефіцієнт концентрації напруг зростає в 3-5 разів. Відстань дільниць ослаблення міжшарових контактів до вугільного пласта змінюється залежно від довжини консолі основної покрівлі, що зависає, у виробленому просторі лави. Зі збільшенням цієї відстані стан покрівлі покращується.
8. Для запобігання обвалювань пород покрівлі в очисних виробках обґрунтовано вимоги до технічних схем кріплення безстоякового привибійного простору, визначено припустимі навантаження на консольно встановлений верхняк. Які нормативний міцнісний параметр шарнірних металевих висувних верхняків прийнято співвідношення згинаючого моменту в шарнірі замка до згинаючого моменту балки, яке дорівнює величині 0,45. Для металевих висувних верхняків, які створюються, згинаючий момент балки дорівнює 48-50 кНм, а опори - 21-24 кНм, виходячи з несприятливих умов взаємодії їх з породами покрівлі. Вперше створено металеві висувні верхняки підвищеної несучої здатності (для стояків опором 300 кН) ВВ-30 і ВВ-30М. Ці верхняки дозволяють здійснювати перекриття покрівлі в безстояковому привибійному просторі одному робітникові з безпечного закріпленого місця з мінімальними трудовитратами (25-40 чол. сек.) і запобігти вивалам та обвалюванням пород при всіх можливих величинах захватів вугілля виїмковими машинами і будь-якої стійкості покрівлі. Для пород середньої стійкості вперше створено металеві верхняки навісні ВН, що дозволяють стабілізувати шарнірне з’єднання верхняків за лінією кріплення і запобігти обваленням пород у випадку самовільного розвантаження (падіння) привибійних стояків. Верхняки прийнято до серійного виробництва.
9. Вперше створено і випробувано експериментальні верхняки навісні фрикційні ВНФ, конструкція яких дозволяє здійснювати їх консольне навішування без пристосування одним робітником і створювати подовжену складену шарнірно-сполучену металеву балку для кріплення місць встановлення великогабаритних приводних станцій лавних конвеєрів, а також сполучень очисних виробок з підготовчими виробками. Роботу з доведення цих верхняків до серійного виробництва рекомендується продовжити.
10. Розроблено металеві верхняки поворотні ВП-30, що дозволяють перекривати покрівлю в безстояковому привибійному просторі одним робітником без заходу в незакріплену травмонебезпечну зону. Експериментальні зразки верхняків ВП-30 випробувано в шахтних умовах. Роботу з удосконалення рекомендується продовжити.
11. З метою скорочення витрат лісоматеріалів, а також заміни дефіцитного спецпрофілю з легованої сталі 30ХГС, який використовується для виготовлення балкових верхняків, розроблено листові верхняки ВЛ. Експериментальні зразки верхняків пройшли шахтні випробування. Роботу з їх удосконалення рекомендується продовжити.
12. Для запобігання обвалюванням покрівлі та підвищення безпеки праці з використанням знову створених верхняків підвищеної несучої здатності розроблено безпечні технологічні схеми (типові паспорти) управління покрівлею та кріплення очисних вибоїв. Особливістю цих паспортів є підвищена надійність консольної підтримки покрівлі в безстояковому привибійному просторі очисних виробок, а також застосування безорганних схем управління покрівлею способом повного обвалювання.
13. Економічна ефективність впровадження наукових результатів дисертаційної роботи становить: від виготовлення та впровадження металевих шарнірних висувних верхняків ВВ-30 за період 1983-1986 рр. - 6853 тис. руб.; від виготовлення та впровадження металевих шарнірних висувних верхняків навісних ВН за період 1996-2001 рр. - 1046 тис. грн.; від впровадження типових паспортів протягом 1996-1998 рр. - 2799 тис. грн.; від впровадження рекомендацій з управління покрівлею та кріплення очисних вибоїв зі складними гірничо-геологічними умовами протягом 1977-1990 р. - 1245 тис. грн.