Sheka I. Substantiation of the rarional parameters arched support made of composite materials (carbon fiber-reinforced plastic) for mining workings coal mines located at depths of more than 1000 meters

Українська версія

Thesis for the degree of Doctor of Philosophy (PhD)

State registration number

0824U003173

Thesis Registration Form

0824U003173.pdf

Applicant for

Specialization

  • 184 - Гірництво

22-08-2024

Specialized Academic Board

ДФ 08.080.052

Dnipro University of Technology

Essay

The dissertation is devoted to solving the scientific and technical problem relevant for the scientific and technical field to create rational fastening parameters of mixed materials for mining coal mines found at depths of more than 1000 meters, which is determined using certain patterns of superimposed-deformed state of carbohydrate mass on fastening of preparatory products. To solve the tasks set in the work, an analysis of the use of composite materials in various industries was performed. It has been established that it is better to use composite materials based on carbon fiber. The possibilities of using carbon plastics in the elements of fastening of mining products are analyzed. The physical and mechanical properties of composites differ from those of metal in that the density of carbon fiber is 1500 kg/m3, while the density of metal is 7750 kg/m3. From this we can conclude that this innovative material will be 5 times lighter than steel. On the basis of modern requirements for the constructions of fastening of mine workings, two models of fastening made of composite materials have been developed: an arched flexible fastening of a constant section and an arched fastening of a variable crosssection. The innovative fastening will allow to increase the pace of mining operations, reduce the labor intensity of the work being performed and increase the safety of the miners by speeding up the work of the shift. To conduct a computational experiment, a methodology for conducting a computational experiment was developed to substantiate the interaction of composite fasteners with a rock massif. The method of conducting the experiment involved the construction of a model of the carbon-containing massif around the bench and the prefabricated stretch in the SolidWorks program. On the basis of the finite element analysis software ANSYS, a series of computational experiments was conducted in an elastic-plastic setting with a presentation of the real picture of stress in the "array - composite fastener" system. As a result of the computational experiment, distribution fields of vertical and horizontal stress concentrations and stress intensity in the rock massif and composite fastening under different mining and geological conditions and different cross-sections of the composite fastening erected in the created space were obtained. The analysis of calculated data showed that with an increase in the cross-section of the composite fastener, both the absolute values of the maximum stresses and the area of their distribution are significantly reduced, the stability of the ultra-coal layer rock layers increases with a decrease in the load on the fastening system of the excavation. It was determined that the cross-section of the composite fastener varies according to the degree of dependence on the ratio of the excavation depth H and the average calculated compressive strength R of the rocks. This makes it possible to predict the steady state of the product during the entire period of its operation. It was established that the load on the composite fastener of the preparatory product is directly proportional to the power dependence of the H/R parameter and inversely proportional to the cross-section of the composite fastener. This ensures the choice of parameters of the composite fastening system with reduced material consumption without deterioration of the stability of the product. Based on the results of the research, fasteners made of composite materials for coal mines located at great depths have been developed and substantiated, which will allow to increase the pace of mining operations, reduce the labor intensity of the work being performed, and increase the safety of the miners with the acceleration of the work shift. Thus, the dissertation is a completed scientific research work, in which, based on the first established regularities of pressure distribution on the composite fastener and the adjacent rock massif, the actual scientific and technical task is solved, which consists in substantiating the rational parameters of fasteners made of composite materials for mining workings of coal mines with taking into account the depth of development, as well as the conduct of cleaning works.

Read more

Research papers

Шека, І.В., & Цівка, Є.С. (2021). Обґрунтування вуглепластику як інноваційного матеріалу для кріплення гірничих виробок вугільних шахт. Збірник Наукових Праць НГУ, 64, 112–121.

Бондаренко, В.І., Ковалевська, І.А., Симанович, Г.А., Цівка, Є.С., & Шека, І.В. (2022). Обґрунтування ефективності використання кріплення з вуглепластику для гірничих виробок на шахтах Західного Донбасу. Збірник Наукових Праць НГУ, 68, 30–42.

Шека, І.В., Салєєв, І.А., Шишов, М.В., Малова, О.К., Почепов, В.М., & Мамайкін, О.Р. (2023). Аналіз використання композитних матеріалів для подальшого застосування у кріпленнях гірничих виробок. Збірник Наукових Праць НГУ, 72, 30–42.

Шека, І.В. (2023). Результати дослідження впливу надпрацювання на гірничі виробки, що закріплені композитним кріпленням. Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва, 25, 67-79.

Bondarenko, V.I., Kovalevska, I.A., Podkopaiev, S.V., Sheka, I.V., & Tsivka, Y.S. (2022). Substantiating arched support made of composite materials (carbon fiber-reinforced plastic) for mine workings in coal mines. IOP Conference Series: Earth 8 and Environmental Science, Volume 1049, 012026.

Bondarenko V., Kovalevska I., Sheka I., & Sachko R. (2023). Results of research on the stability of mine workings, fixed by arched supports made of composite materials, in the conditions of the Pokrovske Mine Administration. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Volume 1156, 012011.(

Bondarenko, V.I., Kovalevska, I.A., Symanovych, H.A., Sachko, R.M., & Sheka, I.V. (2023). Integrated research into the stress-strain state anomalies, formed and developed in the mass under conditions of high advance velocities of stope faces. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Volume 1254, 012062

Kovalevska, I.A., Bondarenko, V.I., Symanovych, H.A., Sheka, I.V., & Tsivka, Y.S. (2023). Modeling the rational parameters for innovative fastening systems in mine workings using composite materials. In: Proceedings of the ISRM 15th International Congress on Rock Mechanics and Rock Engineering & 72nd Geomechanics Colloquium – Challenges in Rock Mechanics and Rock Engineering, Schubert, W. & Kluckner, A. (eds), Salzburg, Austria, October 9-14, 2023. Austrian Society for Geomechanics: Salzburg. pp.1538-1543.

Бондаренко, В., Салєєв, І., Шека, І., & Цівка, Є. (2020). Обґрунтування використання композитних матеріалів для підвищення стійкості гірничих виробок. Ukrainian School of Mining Engineering 2020, 25–26.

Шека І.В. (2021). До питання вибору програмного продукту при моделюванні геомеханічних процесів. Інформаційні технології: теорія і практика. ІV Всеукраїнська інтернет-конференція здобувачів вищої освіти і молодих учених, 91 – 93.

Бондаренко, В., Шека, І., & Цівка, Є. (2021). Розробка інноваційного виду кріплення із композитних матеріалів для гірничих виробок вугільних шахт. Ukrainian School of Mining Engineering 2021, 59–62.

Ковалевська, І., Цівка, Є., & Шека, І. (2021). Розробка кріплення із композитних матеріалів для зміцнення масиву гірських порід у зонах підвищеного гірького тиску. Ukrainian School of Mining Engineering 2021, 67–68.

Шека І.В. (2021). Створення моделі кріплення із вуглепластику та виготовлення її на 3D-принтері. IX всеукраїнська науково-технічна конференція студентів, аспірантів і молодих вчених «Молодь: наука та інновації 2021», 487-488

Шека І.В. (2022). Композити у гірничій промисловості. Минуле. Сьогодення. Майбутнє. VII МІЖНАРОДНИЙ МОЛОДІЖНИЙ КОНГРЕС. Сталий розвиток: захист навколишнього серидовища. Енергоощадність. Збалансоване природокористування. 10-11 лютого 2022 р.: тези доп. – Львів, 2022. – С. 248.

Шека І.В. (2022). Аналіз напружено-деформованого стану кріплення із композитних матеріалів на основах біоніки. «Наукова весна» 2022: матеріали XII Всеукраїнської науково-технічної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених, Дніпро, 23–24 травня 2022 року. – С. 89-90

Шека І.В. (2022). Методика проведення обчислювального експерименту з обґрунтування взаємодії композитного кріплення з гірським масивом. Всеукраїнська науково-практична on-line конференція здобувачів вищої освіти і молодих учених «Геотехнології гірництва та промислова екологія» (присвячена Дню науки). 26 травня 2022 р.: тези доп. – Житомир, 2022. – С. 200

Шека І.В. (2022). Дослідження доцільності використання інноваційного виду кріплення із композитних матеріалів в умовах ШУ «Покровське». Геотехнічні проблеми розробки родовищ: Матеріали XХ міжнародної конференції молодих вчених. 27 жовтня 2022 р. .: тези доп. – Дніпро, 2022. – С. 76-78

Sheka, I.V. (2022). Analysis of the features of 3D-printing technology for its use in the creation of new types of fastening of mining workings. V international scientific and technical conference “Innovative development of resource-saving technologies and 11 sustainable use of natural resourcesat: Petroșani, Romania, November 11, 2022, 174- 176

Бондаренко, В., & Шека, І. (2023). Дослідження впливу різних гірничо-геологічних умов на дренажний штрек, що закріплений композитним кріпленням. Ukrainian School of Mining Engineering 2023, 59–60

Mamaikin, O.R., Sydorenko, R.K., & Sheka, I.V. (2023). Preconditions for the use of composite materials in mine support elements. VI international scientific and technical conference “Innovative development of resource-saving technologies and sustainable use of natural resourcesat: Petroșani, Romania, November 16, 2023, 120- 122

Шека І.В. (2023). Дослідження впливу очисних робіт на гірничі виробки, що закріплені композитним кріпленням. XI всеукраїнська науково-технічна конференція студентів, аспірантів і молодих вчених «Молодь: наука та інновації 2023», 167-168. 22-24 листопада 2023 р., Дніпро, Україна

Бондаренко, В.І., Шека, І.В., Цівка, Є.С., & Ковалевська, І.А. (2021). Арочне піддатливе кріплення. Патент на корисну модель №148329, Україна, МПК Е21D 11/14 (2006.01), №u2020 08107; Опубл. 28.07.2021; Бюл. №30

Цівка, Є.С., Бондаренко, В.І., Ковалевська, І.А., & Шека, І.В. (2021). Арочне кріплення. Патент на корисну модель №148395, Україна, МПК Е21D 11/14 (2006.01), №u2020 08272; Опубл. 04.08.2021; Бюл. №31

Бондаренко, В.І., Шека, І.В., Ковалевська, І.А., Мамайкін, О.Р., & Цівка, Є.С. (2023). Кільцеве піддатливе кріплення: пат. 151958 Україна: МПК Е21D11/14 (2006.01), № u2022 01449; заявл. 05.05.2022; опубл. 05.10.2022; Бюл. № 40

Read more

Similar theses

0824U003022

Mykola R. Glukhoverya

The technology of increasing the extraction of fuel mass from ash and slag waste of coal-fired thermal power plants

0824U002507

Oleksii V. Pochtariov

Improvement of technological means of quality management of iron ore raw materials in underground mining.

0824U002513

Maryna M. Vilhelm

Substantiation of technological parameters of vibration separation of minerals during magnetic flotation beneficiation of magnetite quartzites.

0824U002090

IRYNA LEONETS

Justification of the technology of sludge disposal of stone processing enterprises

0824U002094

DMYTRII BILOBROV

Research on the impact of high temperatures on decorative and physico-mechanical properties of natural decorative stone