Анотація до роботи:

Гайко Г.І. Наукове обґрунтування ресурсозберігаючих способів управління напруженим станом сталевого рамного кріплення гірничих виробок. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.15.04 - “Шахтне та підземне будівництво”. Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, Дніпропетровськ, 2004.

Дисертація присвячена питанням надійного та економічного кріплення гірничих виробок на основі забезпечення відповідності між напруженим станом кріплення і запасом міцності та деформаційної спроможності його вузлів і несучих елементів.

У роботі надано обґрунтування механізму формування активного навантаження на кріплення в умовах високого та середнього метаморфізму; установлено закономірності напруженого стану кріплення, які ураховують розмір ділянки активного навантаження, кут залягання вміщуючих порід, параметри реактивного опору; виявлено особливості деформаційних процесів у покрівлі підготовчої виробки при русі фронту очисних робіт та їх вплив на кріплення штреку. Це дозволило обґрунтувати й розробити нові конструкції та технологічні способи управління напруженим станом кріплення, які забезпечують підвищення стійкості гірничих виробок, зниження матеріальних і трудових витрат на їх підтримання.

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій надано теоретичне узагальнення й нове рішення актуальної наукової проблеми надійного й економічного кріплення гірничих виробок, що полягає в забезпеченні відповідності між напруженим станом рамного кріплення і запасом міцності (деформаційної спроможності) його вузлів та несучих елементів. У роботі надано обґрунтування механізму формування активного навантаження на кріплення в умовах високого та середнього метаморфізму; установлено закономірності напруженого стану кріплення, які ураховують розмір ділянки активного навантаження, кут залягання вміщуючих порід, параметри реактивного опору; виявлено особливості деформаційних процесів у покрівлі підготовчої виробки при русі фронту очисних робіт та їх вплив на стан кріплення штреку. Це дозволило обґрунтувати й розробити нові конструкції та технологічні способи управління напруженим станом кріплення, які забезпечують підвищення стійкості гірничих виробок, зниження матеріальних і трудових витрат на їх підтримання.

Основні наукові й практичні результати роботи полягають у наступному:

1. Обґрунтовані принципи оптимізації сталевого рамного кріплення, які передбачають забезпечення рівного запасу міцності та деформаційної спроможності вузлів і несучих елементів конструкції, причому коефіцієнт запасу міцності повинен знаходитися в інтервалі 1-1,3, а коефіцієнт деформаційної спроможності – бути не менше 1. Управління напруженим станом сталевого рамного кріплення зумовлено величиною відхилення максимальних напружень від їх середніх значень, яка прямо пропорційна куту залягання вміщуючих порід та обернено пропорційна розміру ділянки активного навантаження рами, причому напруження, що діють поблизу нормалі до напластування порід, виявляються в 1,5-2,3 рази більшими, ніж у двох інших небезпечних перерізах, що визначає різний запас міцності елементів по периметру рами.

2. Доказаний зв'язок параметрів навантаження та експлуатаційного стану кріплення зі ступенем (класами) метаморфізму вугілля та вміщуючих порід. Установлено, що в умовах середнього метаморфізму кутові розміри ділянки активного навантаження арочного кріплення складають – 0,66±0,16 рад., а для високого метаморфізму – 0,32±0,1 рад., причому в обох випадках імовірність всебічного активного навантаження конструкції складає менше 0,1, що дозволяє перейти до научно обгрунтованих розрахункових схем, які відображають реальні умови навантаження кріплення в умовах різного метаморфізму.

3. Виявлені характерні особливості піддатливої роботи кріплення в умовах асиметричного навантаження. Установлено, що нерівномірність розподілу вигінних моментів, які діють в вузлах піддатливості кріплення, зі збільшенням кута залягання порід на кожні 15 градусів подвоюється, причому зусилля проковзування елементів у більш напруженому вузлі виявляються більшими на 18-20%, що пояснює механізм нерівномірних зміщень елементів кріплення й дозволяє оптимізувати піддатливий режим його роботи при різних кутах залягання порід.

4. Дана кількісна оцінка ефективності використання матеріалу рамного кріплення, яка виражена показником оптимальності конструкції Копт (0< Копт<1), що дорівнює інтегралу від відношення діючих та максимальних напружень по довжині рами. Визначено, що в типових конструкціях показник оптимальності не перебільшує значення 0,4 і діючі по периметру кріплення зусилля виявляються в середньому в 2,5 рази нижчими від максимальних (граничних). Доказана можливість збільшення показника Копт до величини 0,6-0,7 при вирівнюванні максимальних напружень у кожному з трьох небезпечних перерізів рами, що окреслює можливості способів зниження матеріаломісткості рамного кріплення.

5. Для умов середнього й високого метаморфізму виявлена суттєва нерівномірність розподілу напружень у перерізі профілю та по довжині периметра кріплення. Так напруження,, що діють в донній частині профіля опиняються на 10-20% вище, ніж на фланцах, і при вдосконаленні його конструкції необхідно підсилювати донну частину. Розмір найбільш небезпечної ділянки периметра кріплення, який визначає несучу спроможність конструкції, при симетричному навантаженні знаходиться в межах 1,2-1,8 м і потребує підсилення, а при асиметричному – більше 40% периметра кріплення з боку підняття порід має завищений запас міцності, що передбачає використання на цій ділянці полегшеного в 1,5-2 рази спецпрофілю.

6. Розроблена нова класифікація експлуатаційних станів сталевого рамного кріплення, в якій на основі запропонованої кількісної оцінки критеріїв працездатності виділені, окрім нормативного й аварійного, уточнені категорії недовантаженого та деформованого станів, що дозволило науково обґрунтувати нову методику обстежень кріплення, виявити помилки проектування першого і другого роду, забезпечити управління несучою спроможністю недовантаженого кріплення.

7. Обґрунтована концепція оцінки ризику виробника та споживача гірничопрохідницьких робіт на основі економічних наслідків реалізації проектних помилок першого (a) та другого (b) роду. Рівність “вартостей” помилок (a) та (b), яка забезпечує рівний ризик виробника та споживача гірничопрохідницьких робіт, визначається співвідношенням зайвої матеріаломісткості кріплення до матеріальних втрат за рахунок відказів конструкції та переривання функцій виробок і досягається при a=(2,2-2,6)b. Це положення лягло в основу способу підтримання гірничих виробок з резервуванням надійності кріплення.

8. Запропонована нова схема формування навантаження на арочне кріплення підготовчої виробки. Установлено, що розмір кута відхилення головного вектора навантаження визначають довжина консолі основної покрівлі, товщина покладу, ширина виробки й зони її охорони. Визначено, що головний вектор зовнішнього навантаження кріплення підготовчої виробки в умовах безціликової розробки пологих вугільних пластів відхиляється від вертикалі на кут до 10 градусів, а точка його прикладення зміщується по периметру рами в бік виробленого простору на кут 20-25 градусів, що дозволяє корегувати параметри підсилення кріплення в підготовчих виробках.

9. Розроблений спосіб управління зусиллями в несучих елементах сталевого рамного кріплення, який оснований на перерозподілі матеріалу та створенні попередніх напружень, що забезпечують у відповідності до характеру розподілу навантаження рівний запас міцності кожного елемента кріплення. Спосіб реалізований шляхом використання в конструкції профілів різної маси, а також елементів підсилення й попереднього напруження найбільш навантаженої ділянки рами, що дозволило знизити матеріаломісткість кріплення на 15-35% при збереженні її несучої здатності.

10. Запропонований спосіб створення попереднього напруження верхняка трапецієвидного кріплення при силовому розпорі рами. Для його здійснення на верхняку формують розвантажуючі консолі, на кінці яких передають зусилля від силового розпору піддатливих елементів стояків за допомогою домкратів, причому зусилля розпору фіксують затягуванням вузлів піддатливості. Спосіб дозволяє знизити максимальний вигинний момент у прямолінійному верхняку кріплення в 1,9-2 рази та забезпечити вирівнювання запасу міцності верхняка й піддатливих стояків.

11. Запропонований спосіб резервування надійності кріплення, згідно з яким початково виробку кріплять з запасом міцності, що перебільшує рівень очікуваного навантаження на величину несучої спроможності резервного (додаткового) кріплення, а після реалізації зміщень породного контуру, у випадку виявлення недовантаженого стану кріплення виконують зниження запасу міцності конструкції шляхом поетапного демонтажу резервного кріплення. Це забезпечує управління несучою спроможністю кріплення з мінімальним ризиком втрати стійкості виробки, що може бути ефективно використано в умовах високої функціональної відповідальності гірничих виробок.

12. Розроблена конструкція й параметри арочного кріплення спрямованої піддатливості, у якому вузли розміщені в площині, паралельній заляганню порід, центр верхняка розташований на нормалі до напластування, а стояки виконані різної довжини, яка визначається кутом залягання вміщуючих порід. Це дозволило вирівняти величини вигинних моментів у вузлах та оптимізувати піддатливий режим роботи кріплення в умовах асиметричного навантаження.

13. Розроблені конструкції трьохсегментного рамного кріплення спрямованої піддатливості, арочного піддатливого кріплення із спецпрофілів різної ваги, розпорного трапецієвидного кріплення, елементи підсилення небезпечних ділянок периметра, сталеві тонколистові затяжки й комбіновані міжрамні огорожі із поздовжніх стержнів і дротових матів було впроваджено в проектній та виробничій практиці, причому економічний ефект, отриманий за рахунок зниження матеріаломісткості кріплення, склав 450-500 грн. на 1 п.м спорудженої виробки, а зменшення трудомісткості гірничопрохідницьких робіт на 14-15 людино-годин.

Публікації автора:

1. Литвинский Г.Г., Гайко Г.И., Кулдыркаев Н.И. Стальные рамные крепи горных выработок. – К.: Техніка, 1999. – 216 с.

2. Литвинский Г.Г., Гайко Г.И., Малеев Н.В., Волошин В.Б. Межрамные ограждения шахтной крепи. – Алчевск: ДГМИ, 2000. – 110 с.

3. Гайко Г.И. История горной техники: Учебное пособие. – Алчевск: ДГМИ, 2001. – 134 с.

4. Гайко Г.И. Управление надежностью крепи как фактор ресурсосбережения в горных выработках // Известия вузов. Горный журнал. – 1996. – № 7. – С. 46-49.

5. Гайко Г.И. Способ поддержания горных выработок с резервированием надежности крепи // Строительство шахт, механика и разрушение горных пород. Сб. науч. трудов. – Алчевск: ДГМИ, 1996. – С. 95-98.

6. Гайко Г.І. Оптимізація та перспективи застосування сталевого трапецієвидного кріплення підготовчих виробок // Відомості Академії гірничих наук України. – 1997. – № 3. – С. 63-64.

7. Гайко Г.И. Предварительное напряжение как фактор адаптации крепи к условиям загружения //Сб. научн. трудов ДГМИ. – Алчевск, 1998. – Вып. № 8. – С. 42-45.

8. Гайко Г.И. Выравнивание усилий в элементах арочной крепи в условиях несимметричного нагружения // Сборник научных трудов НГУ. – Днепропетровск: РИК НГУ, 2002. – Вып. № 15. Том 1. – С. 40-44.

9. Гайко Г.И., Малеев Н.В. Функционально-стоимостный подход к выбору межрамных ограждений шахтной крепи // Науковий вісник НГА України. – 1999, № 5. – С. 30-33.

10. Гайко Г.И., Салуга П. Вероятностная трактовка закономерностей распределения нагрузки по периметру арочной крепи // Сб. научн. трудов ДГМИ . – Алчевск: ДГМИ, 2001. – Вып. № 14. – С. 57-63.

11. Гайко Г.И., Окалелов В.Н. Учет функциональной ответственности выработок при проектировании шахтной крепи // Уголь Украины. – 2001. – № 6. – С. 39-40.

12. Гайко Г.И., Майхерчик Т. Опыт крепления горных выработок на шахтах Польши // Уголь Украины. – 2002. – №1. – С. 51-53.

13. Гайко Г.И., Майхерчик Т. Исследование трещиноватости пород кровли штрека при движении фронта лавы // Науковий вісник Національного гірничого університету. – 2002. –№ 5. – С. 24-26.

14. Гайко Г.И., Мaлковский П. Исследования свойств породного массива «in situ» // Сборник научных трудов ДГМИ. – Алчевск: ДГМИ, 2002. – Вып. № 16. – С. 4-10.

15. Гайко Г.И., Роткегель М. Исследование несущей способности арочной крепи при различных вариантах нагружения // Уголь Украины.– 2003.–№2.– С.45-47.

16. Бабиюк Г.В., Гайко Г.И., Стельмах В.М. Управление процессом деформирования пород при креплении выработок рамной податливой крепью // Изв. вузов. Горный журнал. – 1997. – № 9-10. – С. 31-36.

17. Литвинский Г.Г., Гайко Г.И., Малеев Н.В. Оптимизация межрамных ограждений шахтной крепи // Уголь Украины.– 1998. – № 10. – С. 9-11.

18. Волошин В.Б., Гайко Г.И., Малеев Н.В. Исследование взаимодействия забутовочного слоя и затяжки рамной крепи // Известия вузов. Горный журнал. – 2001. – № 2. – С. 54-58.

19. Литвинский Г.Г., Гайко Г.И., Автономов К.В. Повышение адаптивных свойств стальных рамных крепей // Технология и проектирование подземного строительства: Вестник. – Донецк: Норд-пресс, 2002. – Вып.2. – С. 72-77.

20. Майхерчик Т., Гайко Г.И., Малковский П. Исследование деформационных процессов вокруг подготовительной выработки при движении фронта очистных работ // Уголь. – 2002. – № 11. – С.27-28.

21. Стопыра М., Рак З., Сташица Е., Гайко Г.И. Методика интроскопии породного массива видеокамерой инфракрасного спектра // Сб. научн. трудов НГУ. – Днепропетровск: НГУ, 2003. – Вып. № 17. Том 1– С.429-432.

22. Майхерчик Т., Гайко Г.И. Оценка геомеханических параметров вмещающих пород при проектировании крепи // Уголь Украины. – 2002. –№ 7. – С. 50-51.

23. Литвинский Г.Г., Гайко Г.И., Автономов К.В. Работа податливого узла рамной крепи в условиях изгиба // Сб. научн. трудов НГУ – Днепропетровск: НГУ, 2003. – вып. № 17. Том 2. – С.76-78.

24. Пат. 17082 А Україна, МПК⁶ Е 21 Д 11/14. Спосіб підтримання гірничих виробок / Г.І. Гайко, Ю.М. Довгаль (Україна). – Заявл. 18.12.1995. Опубл. 03.06.1997.

25. Пат. 28354 А Україна, МПК⁶ Е 21 Д 11/14. Спосіб керування станом порід у покрівлі виробки / Г.В. Бабіюк, Г.І. Гайко, В.М. Стельмах (Україна). – Заявл. 16.08.1996. Опубл. 16.10.2000. Бюл. № 5-11.

26. Пат. 29134 А Україна, МПК⁶ Е 21 Д 11/14. Спосіб підсилення верхняка рамного кріплення / Г.І. Гайко, Ю.М. Довгаль (Україна). – Заявл. 14.01.98. Опубл. 16.10.2000. Бюл. № 5-11.

27. Пат. 34539 А Україна, МПК⁶ Е 21 Д 11/15. Затяжка шахтного кріплення / Г.Г. Литвинський, Г.І. Гайко, М.В. Малєєв (Україна), М.Х. Буй (В’єтнам). – Заявлено 03.02.1998. Опубл. 15.03.2001. Бюл. № 2.

28. Пат. 63638 А Україна, МПК⁷ Е21Д 11/15. Комбінована міжрамна огорожа гірничих виробок / Г.І.Гайко. – Заявл. 19.05.2003. Опубл. 15.01.2004. Бюл. №1.

29. Пат. 42495 А Україна, МПК⁷ Е21Д 11/14. Стенд для випробувань вузлів піддатливості рамного кріплення /К.В. Автономов, Г.І. Гайко, М.І. Кулдиркаєв, Г.Г. Литвинський, П.М. Шульгін (Україна). – Заявл. 16.03.2001. Опубл. 15.10.2001. Бюл. № 9.

30. Пат. 57826 Україна, МПК⁷ Е 21Д11/14. Рамне піддатливе кріплення із спецпрофілю / Г.Г. Литвинський, Г.І. Гайко, К.В. Автономов. – Заявл. 11.08.2000. Опубл. 15.07.2003. Бюл. № 7.

31. Пат. 56802 А Україна, МПК⁷ Е 21 Д 11/14. Арочне піддатливе кріплення / Г.І. Гайко (Україна). – Заявл. 17.09.2002. Опубл. 15.05.2003. Бюл. № 5.

32. Гайко Г.И. Перспективные конструкции стальных рамных крепей // Материалы научно-практической конференции «Перспективы развития угольной промышленности на пороге XXI века». – Алчевск – Ровеньки: ДГМИ, 2000. – С. 156-160.

33. Литвинский Г.Г., Гайко Г.И. Стальная рамная крепь горных выработок (проблемы и перспективы) // Mаterialy szkoly eksploatаcji podziemnej – 2000. – Krakow: ISGME PAN, 2000. – S. 253-266.

34. Литвинский Г.Г., Гайко Г.И., Автономов К.В. Состояние и прогноз работоспособности стальной рамной крепи на шахтах Донецкого бассейна // Mаterialy szkoly eksploatаcji podziemnej – 2001. – Krakow: ISGME PAN, 2001. – S. 253-266.

35. Gajko G., Rotkegel M., Saluga P. Badanie stanu naprezenia odrzwi obudowy lukowej pracujacej w warunkach roznych wariantow obciazenia // Materialy szkoly eksploatacji podziemnej – 2002. Tom 1. – Krakow: IGSME PAN, 2002. – S. 245-254.

36. Майхерчик Т., Гайко Г.И. Исследование зоны разрушения пород перед перемещающимся фронтом очистных работ // Материалы международной конференции «Современные геомеханические методы в горной промышленности, подземном, гражданском и туннельном строительстве». – Несебр: Болгарский национальный комитет по геомеханике., 2003. – С. 209-216.

37. Гайко Г.И. Конструирование и расчет стержневых межрамных ограждений шахтной крепи // Материалы международной научно-практической конференции «Уголь – Mining Tеchnologies 2003» – Алчевск: ДГМИ, 2003. – С. 115-121.

38. Гайко Г.И. Проблемы оптимального проектирования крепи горных выработок // Материалы Международной научно-практической конференции “XXI столетие – проблемы и перспективы освоения месторождений полезных ископаемых”: Сб. научн. трудов НГА Украины. Прогрессивные технологии подземной разработки месторождений полезных ископаемых.– Днепропетровск: РИК НГАУ, 1998. – Вып. № 3. Том 3. – С. 122-126.

39. Литвинский Г.Г., Гайко Г.И., Малеев Н.В. Закономерности формирования нагрузок на рамные крепи // Материалы ІІІ Международной научно-технической конференции “Проблемы и перспективы освоения подземного пространства крупных городов”: Сб. научн. трудов НГА Украины. – Днепропетровск: НГАУ, 1998. – Вып. № 1. – С. 75-78.

40. Гайко Г.И. Анализ ошибок проектирования арочной крепи горных выработок // Труды Международной научно-практической конференции “Перспективы развития горных технологий в начале третьего тысячелетия”. – Алчевск: ДГМИ, 1999. – С.105-108.

41. Гайко Г.И., Малеев Н.В. Шахтные испытания межрамных ограждений повышенной работоспособности // Труды Международной научно-практической конференции “Перспективы развития горных технологий в начале третьего тысячелетия”. – Алчевск: ДГМИ. – 1999.– С. 105-108.

42. Гайко Г.И. Измерение усилий в элементах рамных крепей // Строительство шахт, механика и разрушение горных пород. Сб. науч. трудов. – Алчевск: ДГМИ, 1996. – С. -135.

43. Гайко Г.И. Методика определения ошибок распознавания гипотез при прогнозировании надежности крепи горных выработок // Строительство шахт, механика и разрушение горных пород. Сб. науч. трудов. – Алчевск: ДГМИ, 1996. – С. 33-37.

Особистий внесок автора у публікаціях, які написані у співавторстві полягає в наступному: у роботах [1,2] - методика і результати кількісної оцінки стану кріплення, визначення особливостей його взаємодії з масивом порід, нові способи і засоби керування зусиллями в конструкціях, конструювання, розрахунки та окремі випробування міжрамних огорож; у роботах [9, 17, 18, 27, 41] - розробка елементів конструкцій та паспортів кріплення комбінованих міжрамних огорож, проведення їх шахтних випробувань та функціонально-вартісного аналізу; в роботах [10, 15, 33, 35, 39] - ідея визначення розміру ділянки активного навантаження, схема розрахунку арочного кріплення, збирання та обробка статистичної інформації, проведення та аналіз аналітичних досліджень; у роботах [11, 24] - ідея і суттєві ознаки способу підтримання гірничих виробок з резервуванням надійності кріплення, класифікація функціональної відповідальності виробок. У роботах [13, 14, 20, 21, 36] - постановка задачі та методика шахтного експерименту, участь в збиранні й аналізі інформації, обґрунтування відмітних ознак і новизни. У роботах [12, 22] - аналіз інформаційних джерел, проектного та виробничого досвіду, висновки. У роботах [16, 25, 26] - ідея та засоби попереднього напруження верхняка трапецієвидого кріплення, розрахунки внутрішніх зусиль в елементах конструкції; у роботах [19, 23, 28, 29] - ідея і обґрунтування нової компановки піддатливих з’єднань, розробка елементів стенду для їх випробувань, методика, проведення і аналіз результатів стендових досліджень.