Разработка мероприятий по охране земной поверхности при проведении работ, связанных с подземной добычей угля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донбасский государственный технический университет

(полное наименование высшего учебного заведения)

Кафедра экологии и безопасности жизнедеятельности

(полное название кафедры, циклической комиссии)

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

по «Охрана земной поверхности»

на тему: «Разработка мероприятий по охране земной поверхности

при проведении работ, связанных с подземной добычей угля»

Студента курса IV группы Э-12з

Кушнарев Е.А

Руководитель: _Рудковский А.Ю.

Алчевск 2016



ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ СТУДЕНТА

1. Тема проекта «Разработка мероприятий по охране земной поверхности при проведении работ ,связанных с подземной добычей угля» ______________

2. Срок сдачи студентом законченного проекта _____18 неделя_______

3. Исходные данные к проекту ___________Вариант 6_________________

Задание для построения литолого- прочностной карты непосредственной кровли угольного пласта по данным геолого - разведывательных работ.

Наименование параметров	Значение
Вынимаемая мощность угольного паста в пределах выделенного участка, м	2,0
Марка угля	Д
Глубина выработки, м	420
Среднее значение угла трения горных пород, град	25
Угол паления пласта, град	20
Порода, слагающая кровлю	алевролит

4. Содержание расчетно-пояснительной записки (перечень вопросов, которые подлежат разработке)

Расчет безопасной глубины, ниже которой подземные горные выработки не вызывают опасных деформаций на земной поверхности; расчет линейных размеров и наибольших величин оседания земной поверхности для условий полной подработки; построение литолого-прочностной карты непосредственной кровли угольного пласта h₉; определение безопасной глубины разработки под водными объектами; определение коэффициента использования природных ресурсов; выбор способа закладки выработанного пространства; расчет обеспечения достаточного количества породы для закладки в бутовые полосы.

5. Перечень графического материала Литолого-прочностная карта непосредственной кровли угольного пласта ;фрагмент плана горных выработок по угольному пласту k₅ (М 1:5000) с расчетом коэффициента природных ресурсов; выбой пластового штрека заданного угольного пласта (М 1:50) с расчетом коэффициента использования породы для закладки выработанного пространства.



РЕФЕРАТ

Курсовой проект по дисциплине - «Охрана земной поверхности» содержит 66 страниц, 2 таблицы, 8 источников, 13 рисунков.

Цель работы:

· Расширить и закрепить теоретические знания, полученные во время изучения курса, освоение навыков использования нормативных документов, справочной литературы, и др.;

· Закрепление навыков по проектированию закладки выработанного пространства в бутовые полосы и построения литолого-прочностной карты непосредственной кровли угольного пласта с целью оценки воздействия стойкости пород кровли на процессы обрушения горных пород над выработанным пространством при управлении кровлей способом полного обрушения.

НАРУШЕНИЕ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ, ОЧИСТНАЯ ВЫРАБОТКА, ЦЕЛИК, УГОЛЬНЫЙ ПЛАСТ, ЗОНА ОБРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД, ОПАСНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ, МУЛЬДА СДВИЖЕНИЯ, ЗАКЛАДКА ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА, РЕКУЛЬТИВАЦИЯ



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. НАРУШЕНИЕ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ПОДЗЕМНОМ СПОСОБЕ ДОБЫЧИ УГЛЯ

2. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ЗОНЫ СДВИЖЕНИЙ ГОРНЫХ ПОРОД И ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НАД ВЫРАБОТАННЫМ ПРОСТРАНСТВОМ

2.1 Определение параметров зоны беспорядочного обрушивания при управлении кровлей способом полного обрушения

2.2 Параметры зоны сдвиження

2.3 Расчет безопасной глубины, ниже которой горные выработки не вызывают опасных деформаций на земной поверхности

2.4 Расчет линейных размеров для условий полной подработки

2.5 Расчет наибольших величин оседания земной поверхности над выработанным пространством в условиях полной подработки

3. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СТОЙКОСТИ ПОРОД НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ КРОВЛИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА ПО ПРОЧНОСТНЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ

4. УСЛОВИЯ ПОДРАБОТКИ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ И ЛЕСОНАСАЖДЕНИЙ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ДОБЫЧЕ УГЛЯ

4.1 Определение безопасной глубины разработки под водными объектами

4.2 Выбор мероприятий по охране водных объектов в условиях подработки

4.3 Условия подработки лесонасаждений и выбор мероприятий по их охране

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ

6. РАЗРАБОТКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПО ОХРАНЕ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

6.1 Выбор способа закладки выработанного пространства при подземной добыче угля

6.2 Расчет обеспечения достаточного количества породы для закладки в бутовые полосы

7. РЕКУЛЬТИВАЦИЯ НАРУШЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ДОБЫЧЕ УГЛЯ

7.1 Технический этап

7.2 Биологический этап

7.3 Ликвидация негативных последствий отвалов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК



ВВЕДЕНИЕ

Добыча полезных ископаемых подземным способом негативно влияет на состояние земной поверхности. Выемка пластов угля и других залежей полезных ископаемых вызывает образование в недрах земли пустот значительных размеров. Породы, залегающие в кровле горных выработок, под действием силы тяжести и горного давления приходят в движение, обусловливая развитие процесса сдвижения всей толщи, включая земную поверхность.

В результате сдвижения и деформации толщи горных пород деформируется и нарушается целостность крепи горных выработок (стволов, квершлагов, околоствольных выработок, штреков), попавших в зону сдвижения. Объекты, расположенные на земной поверхности и также попавшие в зону сдвижения, деформируются, а при неблагоприятных условиях подработки даже разрушаются. Например, в стенах и фундаментах зданий возникают трещины, межэтажные перекрытия теряют устойчивость, наблюдаются перекосы оконных и дверных проемов, происходит отслаивание и падение штукатурки; в подработанных горными работами жезлезных дорогах изменяются уклоны пути, нарушается плотность балласта, происходит разрыв планок, скрепляющих рельсы, выброс рельсов; в подземных металлических трубопроводах (газопроводах, водопроводах) возникают разрывы и смятия; в промышленных объектах может быть нарушена эксплуатация технологического оборудования (подъемных машин, транспортных кранов, станков, агрегатов); на поверхности шахтных полей образуются провалы, прогибы, мульды сдвиги, которые заполняются грунтовыми водами из верхних водоносных горизонтов, а также паводковами и атмосферными осадками.

Продолжительные наблюдения за подработкой объектов показали, что при соблюдении определенных условий возможна подработка объектов без нарушения их нормальной эксплуатации. Такими условиями являются, например: значительная глубина разработки, специально разработанные рациональные способы выемки полезных ископаемых, оборудование объектов перед подработкой специальными конструктивными мероприятиями и др.

Для обеспечения сохранности объектов и условий их нормальной эксплуатации при неблагоприятных условиях подработки (небольшой глубине, значительной мощности пласта и др.) возникает необходимость оставления целиков (невынутых участков полезного ископаемого под объектом), что обусловливает потери промышленных запасов полезных ископаемых.

Защита земной поверхности от вредного влияния подземных горных выработок осуществляется в двух основных направлениях:

- уменьшение нарушений земной поверхности с помощью горнотехнических и специальных охранительных мероприятий;

ь ликвидация негативных последствий горных работ путем возобновления (рекультивации) нарушенных земель;

При этом, главным направлением рационального использования земель в угольной промышленности является рекультивация нарушенных площадей и возвращения их в народное хозяйство как производительных угодий в виде пашни, лугов, лесонасаждений, искусственных водоемов.



1. НАРУШЕНИЕ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ПОДЗЕМНОМ СПОСОБЕ ДОБЫЧИ УГЛЯ

Предотвращение или снижение степени превращений земной поверхности осуществляется с помощью следующих горно-технических мероприятий:

ь рациональное расположение и изменение параметров очистительных выработок;

ь частичная отработка угольных пластов по площади;

ь уменьшение выемочной мощности пласта;

ь закладка выработанного пространства;

ь оставление природоохранных целиков;

ь рациональный порядок разработки пластов в мире (гармоническая разработка).

Наиболее эффективным мероприятием охраны подрабатываемых объектов земной поверхности является закладка выработанного пространства. Применяется она при вынимании запасов угля под городами, заводами, комплексами ответственных сооружений и водными объектами.

При гармонической разработке пластов в мире опережения между очистительными выработками на смежных пластах выбирается таким образом, чтобы исключить суммирование однозначных деформаций.

Уменьшение выемочной мощности пласта позволяет повысить горизонт безопасной глубины разработки и уменьшить деформацию подрабатываемого массива пород и земной поверхности, но это приводит к увеличению потерь угля в недрах.

Частичное вынимание запасов по площади применяют, если технические и технологические возможности шахты недостаточны для использования более эффективных мероприятий охраны, обеспечивающих высокую полноту вынимания запасов, например закладка выработанного пространства, а применение других горных мероприятий охраны не обеспечивает снижения деформаций к уровню допустимых. Неполное вынимание пластов по площади связано с резким увеличением потерь угля.

Оставление природоохранных целиков используется в том случае, когда другие мероприятия охраны сооружений и естественных объектов земной поверхности не достигают цели или являются экономически невыгодными. Это приводит к большим потерям угля в недрах, консервирования запасов угля в природоохранных и барьерных целиках.

Размеры зоны влияния подземных выработок на сооружения и естественные объекты, которые расположены на земной поверхности, зависят от следующих факторов:

Ш мощности угольного пласта;

Ш угла падения и глубины розрабатываемых пластов;

Ш размеров очистных выработок;

Ш расположения и размеров целиков, которые остаются в очистительной выработке;

Ш способа управления горным давлением;

Ш скорости продвигания забоя;

Ш наличие вблизи очистительной выработки ранее отработанных площадей;

Ш физико-механических свойств пород;

Ш структурных особенностей массивов горных пород (мощность слоев, геологические нарушения и т. д.)

Наибольшее любопытство (с точки зрения разработки природоохранных мероприятий) составляют факторы, которые поддаются регуляции.

Это такие факторы, как способ управления горным давлением, скорость продвигания забоя, система расположения выработок и др. Изменяя эти факторы, можно влиять на величину деформаций, а следовательно на нарушение земной поверхности при подработке.

Глубина, площадь оседаний, скорость сдвига горных пород находятся в прямой зависимости от мощности пласта, который вынимается. От способа управления кровлей существенно зависит процесс сдвига подрабатываемого горного массива.

Наиболее неблагоприятными являются последствия при разработке полезных ископаемых с полным обрушением пород кровли, поскольку возможны следующие ситуации:

- зона обрушений достигает поверхности шахтного поля, и образуются провалы и трещины;

- к поверхности доходит только зона оседания пород, при этом отдельные участки территории плавно прогибаются и опускаются;

- поверхность шахтного поля не испытывает ни деформаций, ни смещений.

Размеры выработанного пространства существенно (до определенной границы) влияют на абсолютную величину сдвига пород и меньшей мерой на относительные деформации. Длительность и интенсивность процесса сдвига предопределяет скорость продвигания очистительного забоя, чем последнее выше, тем меньше длительность сдвига пород. Следовательно, сроки негативного влияния на подрабатываемую поверхность Земли сокращаются.

Порядок ведения горных работ и расположения выработок комплексно влияют на параметры и характер сдвига. В зависимости от того в какие зоны попадают следующие (после проведения первой очистной выработки, а также от расположения и размеров охраняемых целиков) деформация или уменьшается, или увеличивается.

Угол падения пород - один из основных факторов, что определяет угловые параметры процессов сдвига и распределение деформаций в мульде. При больших углах падения происходит сползание пород лежащего бока и резкое выполаживание углов сдвига в верхней границе выработки. При малых (до 5°) углах падения мульда сдвижения симметрично относительной плоскости, которая проведена через точку максимального оседания параллельно протягиванию пластов.

С ростом глубины разработки все виды деформации земной поверхности уменьшаются. Негативное влияние подземных горных выработок заключается также в отчуждении и загрязнении земель породными отвалами. В результате добычи угля подземным способом на поверхность подается порода от проведения подготовительных и очистных выработок, от очистки и возобновления выработок. Количество ее зависит от системы выработки, горно-геологических условий, способа вынимания угля, и т.п.

Горные породы, которые выдаются на поверхность, складируются в разных по размеру и форме отвалы. Они занимают плодородные с/х земли, снижают производительность смежных земель, загрязняют атмосферный воздух газами и пылью, нарушают гидрологический режим местности. Кроме этого, воды (преимущественно токсичные), которые стекают из отвалов, уничтожают растительность на прилегающих территориях. Отвалы, которые расположены вблизи населенных пунктов, ухудшают санитарно-гигиенические условия жизни людей.

На состояние окружающей естественной среды влияют также геологоразведочные работы, последствиями которых является: изменение ландшафта, вырубка леса, уничтожение обитаемого слоя почвы, гибель птиц и животных, загрязнения атмосферы выхлопными газами.



2. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ЗОНЫ СДВИЖЕНИЙ ГОРНЫХ ПОРОД И ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НАД ВЫРАБОТАННЫМ ПРОСТРАНСТВОМ

В процессе выбора мероприятий защиты поверхности Земли от нарушений при подработке необходимо, прежде всего, найти границы зон влияния подземных разработок и установить длительность процесса сдвига земной поверхности.

Проведение горных выработок нарушает равновесие окружающих пород. Деформации, которые возникают при этом, приводят к разрушению и сдвигу пород.

При определенном соотношении глубины и размеров выработки процесс сдвига достигает земной поверхности. Процессы сдвига горных пород должны, учитываться при последовательном вынимании свиты пластов, использовании защитного действия выработок смежных пластов и т.п. В большинстве случаев можно избежать существенных нарушений земной поверхности и повреждений в подрабатываемых объектах.

Закладка выработанного пространства, ведение очистительных работ, работ под сооружениями широким фронтом беспрерывно и с максимальной скоростью, с одной стороны, и использования специальных строительных конструкций, из другой, могут обеспечить безопасное вынимание полезных ископаемых под сооружениями и естественными объектами.

Процесс сдвига земной поверхности и горных пород исследуется с помощью инструментальных наблюдений. В результате их проведения получают данные о границах влияния горных выработок, о размерах и распределении сдвига и деформаций. Сдвиг и деформации задевают породы кровли и подошвы пласта (рисунок 2.1)



Рисунок 2.1 - Область сдвига горных пород подошвы и кровли угольного пласта

Область таких сдвигов ограничена кривой ABCDE, которая возникла под воздействием выработки АВ. Стрелками показаны направления сдвига пород.

В зависимости от соотношения и мощности слоев непосредственной кровли, нормальной мощности пласта, угла падения, физико-механических свойств горных пород и способа управления кровлей, ее слои могут обрушиваться или плавно прогибаться.

2.1 Определение параметров зоны беспорядочного обрушения при управлении кровлей способом полного обрушения

При управлении кровлей способом полного обрушения сдвига пород покровной толщи происходит в отмеченной последовательности. Над выработкой на определенном расстоянии породы кровли обрушаются, а под действием вышележащих пластов, которые опускаются, обрушенная порода уплотняется. Породы, которые залегают выше, сдвигаются более плавно, пласты прогибаются и укладываются на обрушенную породу. Прогиб пород сопровождается появлением в них трещиноватости.

В области сдвижений различают:

1. зону сдвигов - непосредственно над выработкой;

2. зону прогиба с трещинами - выше над ней;

3. зону плавного прогиба - еще выше.

Высота зоны беспорядочного обрушения вычисляется по формуле:

(2.1)

где m - мощность пласта, который вынимается, м

k - коэффициент взрыхления пород при обрушении. (алевролит - сланец песчаный - 1,5-1,8, песчаник - известняк - 1,8-2,0, аргиллит - сланец глинистый - 1,0-1,5)

Необходимые для вычислений данные определяются по фрагменту плана горных выработок отмеченного угольного пласта (по заданию это пласт l₈ шахты Фащевская).

Исходя из данных фрагмента плана горных выработок отмеченного угольного пласта известно, что мощность вынимаемого пласта m = 0,7 м, коэффициент взрыхления породы - алевролит-сланец песчаный k = 1,5. Произведем вычисление высоты зоны беспорядочного обрушения:

м

Таким образом, высота зоны беспорядочного обрушения для заданного участка горных выработок составит 4 м.

2.2 Параметры зоны сдвиження

Для нахождения границ зоны опасных деформаций применяются углы сдвижения (рисунок 2.2).

Углами сдвижения являются углы, которые образуются на вертикальных разрезах за главным разрезом мульды сдвижения, линиями, которые соединяют границы выработки с точками на земной поверхности, вблизи которых деформации достигают предельно допустимых значений.

Различают углы:

- сдвижения , ,,

- предельные углы , ,,

- углы разрывов , ,.

Предельные углы (, ,.) - углы, которые образованы на вертикальных разрезах за главным разрезом мульды сдвижения горизонтальной линией и линией, которая соединяет границу выработки с точкой на земной поверхности, в которой сдвиг не превышает ошибку измерения последних. Эта точка на земной поверхности практически является точкой оседания 10 мм.

С помощью углов сдвижения определяют границы природоохранных целиков, то есть границы участка полезных ископаемых, вынимание которых может привести к недопустимым деформациям земной поверхности, сооружений и естественных объектов.



а) разрез вкрест простирания

б) разрез по простиранию

Рисунок 2.2 - Параметры зоны сдвижения

Углы сдвижения, а также величины безопасной глубины для разных угольных бассейнов и типов сооружений разные и устанавливаются в соответствии с «Правилами охраны сооружений и вредного влияния горных выработок». Для Донбасса.

2.3 Расчет безопасной глубины, ниже которой горные выработки не вызывают опасных деформаций на земной поверхности

Глубина, ниже которой горные выработки не вызывают на земной поверхности опасных для сооружений и естественных объектов деформаций, называется безопасной.

Безопасную глубину определяют по формуле:

Нб = Кб * m = 210* 2,0 = 420 м (2.2)

где Кб - коэффициент безопасности

m - мощность угольного пласта, который вынимается, м

При других равных условиях, чем большее отношение глубины разработки и мощности разрабатываемого пласта, или чем больше коэффициент безопасности, тем меньшее сдвижение, и деформация распределяется более плавно.

Кб = H/m (2.3)

где Н - глубина выработки, м

m - выемочная мощность пласта, м.

Необходимые данные определяются для специально выделенного участка ведения горных работ по фрагменту плана горных выработок угольного пласта.

Глубина выработки угольного пласта определяется по среднему значению имеющихся скважин на фрагменте плана горных выработок. В моем случае Н = 524,4 м.

Таким образом, на глубине ниже 420 м горные выработки не будут вызывать на земной поверхности опасных для сооружений и природных объектов различных деформаций.

2.4 Расчет линейных размеров для условий полной подработки

При расчете сдвижений различают условия полной и неполной подработки. При условиях большой площади очистительных выработок, особенно если ее размер близок к глубине пласта, или больше его, наступает стадия полной подработки. Полная подработка характеризуется переходом от воронкообразной к тарелкообразной мульде оседания с плоским дном, окончанием активной и наставанням стационарной стадии процессов геомеханических превращений геологической среды. В этой стадии возобновляется естественное напряженное состояние подрабатываемого массива. Деформации в зоне полной подработки отсутствуют.

Чем больше глубина, тем большая площадь очистительных выработок нужна для того, чтобы на поверхности возникли условия полной подработки. (рисунок 2.3)

Рисунок 2.3 - Линейные размеры для условий полной подработки

Если в направлении, перпендикулярном к чертежу, размеры выработки достаточные для условий подработки, то в плоскости чертежа по линии АВ для полной подработки необходимы линейные размеры, которые равняются:

(2.4)

где Н - глубина разработки, м

ш - угол полной подработки, град

В условиях Донбасса.

(2.5)

где с - среднее значение угла трения горных пород, град (1-5 вариант 15°, 6-10 вариант 16°, 11-15 вариант 17°, 16-20 вариант 14°, 21-25 вариант 18°)

Это значит, что при ширине выработки 769,68 м наступают условия полной подработки земной поверхности, то есть на поверхности земли образуется терелкообразная мульда оседания с плоским дном, при этом все геомеханические процессы переходят в стационарную стадию.

При некотором S₁ зона полной подработки еще не достигает поверхности, а при некотором S₂ на поверхности образуется плоское дно (SD).

При наклонном залегании пластов условия полной подработки поперек оседания при прочих равных условиях зависят от:

- угла падения пласта

- глубины разработок

- углов полной подработки (рисунок 2.4)



Рисунок 2.4 - Углы полной подработки при наклонном залегании пластов в условиях полной подработки.

Углы ш₁ и ш₂ изменяются в зависимости от угла падения пласта (б).

По интенсивности проявления геомеханических превращений горного массива и земной поверхности выделяют следующие их типы:

1) перемещение с сохранением целостности массива без образования зоны обрушения над пластом (очень легкий тип);

2) перемещение с нарушением целостности массива с образованием плавной мульды оседания на поверхности (легкий и средний тип превращения);

3) перемещение с образованием трещин разлома слоев и выходом их на земную поверхность при подрабатывании наклонными пластами (тяжелый тип превращений);

4) перемещение с образованием трещин, расслоения и выступлений, на земной поверхности при подрабатывании крутыми пластами (тяжелый тип превращений);

5) образование отдельных воронок и провалов на земной поверхности (очень тяжелый тип превращений). Таблица 2.1.

Тяжелые геомеханические превращения возникают при глубине залегания угольного пласта 45-100м и выемочной мощности пласта 1,5 - 3 м. В этом случае геомеханические превращения земной поверхности проявляются обычно в образовании провалов и глубоких мульд.

При достижении зоной трещинообразования земной поверхности образуются провалы впадин, а там, где эта зона не достигает поверхности - плавные мульды (с достаточно наклонными склонами).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таблица 2.1 Классификация подрабатываемых территорий по уровню ее геомеханических превращений

Уровень геомеханического процесса	Схема отработки пласта	Условие подработки	Характер геомеханического процесса	Условия застройки и эксплуатации сооружений
		m,м	H1, км	б, градус	L, м
1	2	3	4	5	6	7	8
I класс подрабатываемой территории
Незначительный	Отработка тонких пологих пластов на большой глубине. Системы разработки с закладкой выработанного пространства	? 0,7	? 0,6	Любой	Любая	Плавное смыкание почвы и кровли за счет упругого восстановления вмещающих пород. Деформации фунта неопасны для строительства и эксплуатации сооружений	Застройка территории любыми типами зданий и сооружений без ограничений
II класс подрабатываемой территории
Очень малый	Отдельные (врезанные) лавы в угольном пласте. Камеры. Короткие полосы	? 3,5	? (N+hH)	Любой	Любая	Зависание покрывающей толщи в пределах зоны Г; упругий максимальный прогиб незначителен, около 0.1 м
III класс подрабатываемой территории
Малый	Отработка длинными очистными забоями с полным обрушением кровли	? 3,5	? (N+hH)	? (90є-с)		Образование мульды оседания без разрыва целостности наносов. Наблюдаются деформации грунта	Строительство с применение конструктивных мероприятий по охране зданий и сооружений от деформаций грунтов
IV класс подрабатываемой территории
Средний	Отработка свиты крутых тонких и средней мощности пластов	?3,5	? (N+h)	? (90є-с)	? (Н 1-h)	Расслоение массива, образование уступов и трещин по контакту слоев на выходах коренных пород под наносы	Строительство с применением конструктивных мероприятий. Эксплуатация подработанных зданий и сооружений сопряжена с ремонтно-восстановительными работами, их выравниванием и рихтовкой
V класс подрабатываемой территории
Большой	Отработка мощных пологих пластов с полным обрушением кровли на малой глубине	>0,8(Н 1-h)х(n-1)sec б	?1.5	? (90є-с)	? (Н 1-h)	Выход под слой наносов зоны беспорядочного обрушения пород кровли. Образование сквозных трещин с земной поверхности в выработанное пространство	Строительство на подрабатываемой территории недопустимо. Сооружения разрушаются, требуется рекультивация территории
VI класс подрабатываемой территории
Разрушительный	Отработка мощных крутых пластов с полным обрушением кровли	>(Н 1-h)х(n-1)cosec ш2		? (90є-с)	? (Н 1-h)	Обрушение массива в выработанное пространство. Образование провалов, воронок, трещин в наносах и коренных породах	Строительство и эксплуатация зданий и сооружений невозможны. Окружающая среда разрушается. Рекультивация необходима

2.5 Расчет наибольших величин оседания земной поверхности над выработанным пространством в условиях полной подработки

При негоризонтальном залегании угольных пластов наибольшая величина оседания при полном подрабатывании в Донбассе определяется по формуле

(2.6)

По результатам наблюдений наибольшее оседание в Донбассе в условиях полной подработки достигает при:

(2.7)

Наибольшая величина оседания при наклонном залегании пластов может быть рассчитана также с учетом эмпирической величины, выведенной для Донбасса:

(2.8)

где m - выемочная мощность пласта, м;

H - глубина разработок, м;

б - эмпирическая величина принята для Донбасса = 25.

Необходимые данные определяются для специально выделенного участка ведения горных работ по фрагменту плана горных выработок угольного пласта(по заданию это пласт l₈ шахты Фащевская). Определим наибольшую величину оседания при полной подработке и негоризонтальном залегании угольных пластов (<б=16°):

Определим наибольшую величину оседания по результатам наблюдений (по формуле 7):

Определим наибольшую величину оседания при наклонном залегании пластов с учетом эмпирической величины, выведенной для Донбасса:

Таким образом, видно, что при расчетах наибольших величин оседания земной поверхности над отработанным пространством в условиях полной подработки учет эмпирической величины, угла залегания пласта и глубины залегания дают возможность получить более точные данные о величинах оседания земной поверхности. Учитывая лишь мощность угольного пласта, нельзя говорить с полной уверенностью о точности полученного результата величины оседания земной поверхности, ведь она сильно отличается от других результатов . Скорее всего такая разница означает большие погрешности при расчете, то есть при определении наибольших величин оседания земной поверхности над отработанным пространством в условиях полной подработки следует учитывать такие параметры: эмпирическая величина для Донбасса, угол залегания пласта и глубина залегания.



3. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СТОЙКОСТИ ПОРОД НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ КРОВЛИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА ПО ПРОЧНОСТНЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ

Одним из основных горных факторов, который определяет степень геомеханических превращений поверхности Земли при подземной добыче угля является прочность пород непосредственной кровли, что позволяет оценить их стойкость.

Для прогнозирования инженерно-геологических особенностей горных пород кровли используются корреляционные связки между стойкостью пород в горных выработках и их прочностными характеристиками в соответствии с методикой, которая разработана на государственном геологическом предприятии “Донбассгеология”. С этой целью используются графики предельных условий зон устойчивости пород кровли угольных пластов очистных выработок.

Прогнозирование осуществляется путем нанесения на предварительно составленные диаграммы точек с координатами, которые отвечают парам числовых значений параметров (мощности пород непосредственной кровли угольного пласта и предела прочности этих пород на сжатие). В зависимости от того, в какое поле (неустойчивой, среднеустойчивой или устойчивой кровли) попадут эти точки, оценивается наиболее достоверная стойкость пород на соответствующем участке шахтного поля. Для построения литолого-прочностной карты непосредственной кровли угольного пласта размечается прямоугольная сетка, расположенная на 5 разведывательных линиях с расстоянием между линиями и между скважинами в линиях, - 25м и М 1:5000. Линии ориентируются с севера на юг, в каждой линии - 5 скважин (точек опробовывания непосредственной кровли). Около каждой скважины слева надписывается номер скважины, справа - в виде дроби: мощность породы непосредственной кровли (в числителе) и предел прочности пород на сжатие в кгс/см² (в знаменателе) (на чертеже формата А1).

Для построения карты, в таблице индивидуальных заданий приведенные данные о литологическом составе, мощности и границе прочности пород непосредственной кровли, на сжатие.

Литологическая основа карты отображает контакты между слоями пород по площади. Линии контактов литологических разностей проводятся через точки, которые располагаются в середине расстояния между скважинами. По графикам предельных условий определяется устойчивость непосредственной кровли в каждой из точек опробовывания, дальше после вынесения этих данных на карту, вычерчиваются плавные линии границы зон различной устойчивости. По данным определения предела прочности горных пород на сжатие в естественном состоянии с помощью палетки находятся точки, кратные 100 кгс/см-² и проводятся изолинии прочности непосредственной кровли на описываемой площади для каждой литологической разности.



4. УСЛОВИЯ ПОДРАБОТКИ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ И ЛЕСОНАСАЖДЕНИЙ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ДОБЫЧЕ УГЛЯ

Водные объекты являются частью естественных или искусственных ландшафтов.

При условиях неправильного ведения горных работ возможно понижение прудов, ручьев и малых рек, как следствие инфильтрации воды в подземные горные выработки.

Кроме этого, при подрабатывании плодородных территорий заводей рек нарушается водный режим почвенного слоя. Как следствие производительность таких земель резко снижается.

Описанные явления обусловлены изменением фильтрующих свойств пород, которые составляют горный массив.

При подрабатывании образуются трещины разрыва, которые распространяются в среднем на расстоянии 20-40 кратной мощности пласта, а в отдельных случаях превышает его 100-кратную мощность.

Фильтрация поверхностных вод в горной выработке резко увеличивается в зонах тектонических нарушений естественных проводников водостока.

По условиям подработки водные объекты подразделяются на 2 группы:

1 группа - водотоки, водоемы и обводненные породы, подстилаемые глинами или суглинками у которых мощность глины (суглинков) не менее глубины водотока (водоема) или напора воды над почвой водоносного горизонта; уровень воды в коренных породах, залегающими под глинами (суглинками), располагается ниже почвы последних;

2 группа - водные объекты, которые не удовлетворяют данным условиям.

Различают:

- зону опасного влияния водного объекта;

- безопасную глубину разработки.

Под зоной опасного влияния водного объекта имеется в виду участок, в пределах которого вынимание угля может повлечь недопустимое увеличение притоков воды в горные выработки, а в отдельных случаях ее прорыв и затопление. Границы зоны опасного влияния строятся от границ водного объекта и по простиранию водного пласта, определяются углом разрыва «д», а со стороны подъема и падения -соответственно углами «в»и «г» (рисунок 1.5).

а - вкрест простирания; б - по простиранию; 1 - наносы; 2 - коренные породы; А, Б, В, Г - точки контура водного объекта.

Рисунок 4.5 - Построение границ зоны опасного влияния водного объекта в разрезах.

4.1 Определение безопасной глубины разработки под водными объектами

Безопасная глубина разработки под водными объектами - это минимальная глубина, при которой зона водопроводных трещин, которые образуются над выработанным пространством, не достигает нижней границы водного объекта.

Для одного пласта безопасная глубина определяется следующим образом:

- водных объектов 1 группы при h_г ? 2m и m ? 3,5м (h_г - мощность залегающих под водным объектам глинистых наносов или пород, аналогичных им по физико-механическим свойствам, например аргиллит Западного Донбасса);

- водных объектов 1 группы при h_г ? 2m и m > 3,5м - принимается равной 20m;

- водных объектов 1 и 2 групп при h_г < 2m и m ? 4м;

- водных объектов 1 и 2 групп при h_г < 2m и m > 4м - в соответствии с Правилами охраны сооружений и водных объектов.

Если граница построенная по углу разрывов гґґ(рисунок 1.5) располагается ниже горизонта безопасной глубины, определенной данными таблицы 1 и 2 (приложение А), то за границу зоны опасного влияния принимается этот горизонт.

При разработке свиты пластов под водным объектом безопасная глубина для каждого последующего (второго, третьего и так далее) пласта определяется с учетом физико-механических свойств и мощности вмещающих пород и регламентируется Правилами охраны сооружений и водных объектов.

Определим безопасную глубину разработки под заданным водным объектом (вариант №3). Исходные данные:

· выемочная мощность пласта (m) - 1,5 м;

· средняя мощность аргилитов, алевролитов и глинистих сланцев (h_г) - 2,7м;

· мощность дробленой толщи (М) - 9 м.

Безопасная глубина разработки под водным объектом составит:

= 140м

Таким образом, на глубине 140 м (по данным приложения А) под заданным водным объектом не будут наблюдаться водопроводимые трещины, которые бы доходили до дна водоема и могли бы стать причиной затопления горной выработки, высыхания водного объекта.

4.2 Выбор мероприятий по охране водных объектов в условиях подработки

Вопрос об условиях выемки угля под водными объектами или обводненными породами должен решаться еще на стадии проектирования шахты. Для охраны водных объектов рекомендуются горнотехнические мероприятия по предотвращению проседаний земной поверхности или уменьшения их до безопасных величин, наземные, мелиоративные и др.

Горно-технические мероприятия должны предусматривать:

- закладку выработанного пространства породой;

- частичную выемку угля по площади или по мощности;

- специальный порядок отработки запасов угля под охраняемыми и природными объектами;

- оставление природоохранных целиков и др.

Прежде всего, должна рассматриваться возможность рационального расположения очистных выработок в разных пластах, что позволяет уменьшить безопасную глубину разработки. Наиболее распространенной мерой защиты водных объектов является оставление природоохранных целиков угля. Но ее применяют лишь в тех случаях, когда другие горно-технические меры не могут обеспечить надежную охрану подрабатываемого объекта. Это объясняется, во-первых, потерями угля, во-вторых, дополнительными материальным ущербом в связи с уменьшением срока службы действующих горизонтов и всего горизонта в целом. В-третьих, осложнением подземных горных работ в результате увеличения протяженности выработок, опасности воспламенения угля, и т. д.

Наиболее перспективным мероприятием охраны водных объектов является полная закладка выработанного пространства породой. Данный способ, кроме других преимуществ, отличается высокой надежностью поддержания нависающего горного массива.

Кроме перечисленных горнотехнических мероприятий при решении вопроса об условиях разработки пластов должны рассматриваться возможность и экономическая целесообразность отведения или дренирования водного объекта, пропуска водотока, над зоной водопроводящих трещин по трубам лоткам и др. добыча уголь подземный лесонасаждение

В случае проявления на подработанных участках земной поверхности мульды оседания, провалов, трещин - необходимо предусматривать следующие наземные мелиоративные мероприятия по предотвращению возникновения водотоков и водоемов, заболачиваний:

· полную засыпку провалов, заиливания трещин глиной; устройство желобов или прокладки труб для пропуска воды через провалы;

· отвод от провалов дождевых и паводковых вод путем устройства дамб, надводных канав, желобов;

· откачки воды по мере появления ее в провалах за границу водозащитных сооружений (за дамбу и т.д.);

· дренирование воды из провалов, расположенных в местах водопроводных пород (галичников и т. д.);

· аккумулирование паводковых вод в водоемах, построенных на пути к провалам, и равномерное отведение из них воды в водотоки.

Выемка угля под водными объектами по возможности должна проводиться в периоды, когда водотоки пересыхают или имеют минимальный уровень воды.

4.3 Условия подработки лесонасаждений и выбор мероприятий по их охране

Леса, парки при подработки охраняются от образования под ними провалов, появления больших наклонов краев мульд, нарушений водного режима, в коре ненаселенном слое растительности.

Водный режим, на подрабатываемом участке лесонасаждения, может нарушиться при затоплении леса (на равнинных и сниженных участках рельефа) накапливаемыми паводковыми и атмосферными водами, а также в результате оседания земной поверхности ниже зеркала виды ближайших водных объектов, повышение уровня грунтовых вод относительно корененаселеного слоя в результате оседания земной поверхности или обезвоживания этого слоя.

Вопрос о возможности подработки леса должна рассматривать специализированная организация.

Для оценки степени и характера ожидаемых изменений водного режима и выбора мероприятий по охране лесонасаждения при его подрабатывании необходимо учитывать рельеф подрабатываемого участка, уровень грунтовых вод, гидрологические условия и ожидаемые их изменения.

Для охраны лесонасаждений на земной поверхности строят водоспускные сооружения с целью отведения воды в существующую гидрографическую сеть (пруды, реки) и дренажные канавы для снижения уровня грунтовых вод; ограждающие дамбы с учетом необходимых мер по предотвращению повышения уровня грунтовых вод на охраняемых участках.

Чтобы уменьшить неблагоприятное влияние горных выработок на лесонасаждение могут примениться горнотехнические мероприятия:

- уменьшение выемочной мощности пласта или оставление по отдельным пластам свиты охранных целиков;

- наиболее рациональная последовательность отработки столбов лав, что способствует наименьшему нарушению водного режима на участке подработки.

Расчет ожидаемых величин оседания и наклонов выполняется в соответствии с Правилами охраны сооружений и природных объектов. Наклон краев мульд на участке лесонасаждения не должен превышать 100*10^-3.



5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ

Негативное влияние горных работ шахт на геологическую среду оценивается, прежде всего, процентом потерянных запасов или коэффициентом полноты исключения угля из недр и экономическими убытками от потерь.

Одним из основных требований у отрасли охраны недр и земной поверхности есть обеспечение наиболее полного исключения из недр запасов полезных ископаемых.

При добыче угля шахтным способом основным источником его потерь является уход предохранительных целиков для охраны поверхностных сооружений и водных объектов и поддержания выработок.

Коэффициент использования природных ресурсов определяется для специально выделенного участка ведения горных работ за фрагментом плана горных выработок угольного пласта, который указывается преподавателем (по заданию это пласт l₈ шахты Фащевская).

Определение коэффициента использования угля проводится в следующем порядке.

Определяется общая площадь отведенного участка (S_уч.) м²:

Определяется общая площадь потерь угля в целиках (предохранительных, барьерных, на участках геологических нарушений и т.п.) (S_пот.):

; м² (5.1)

Определяются потери запасов угля в целиках:



(5.2)

где m - выемочная мощность пласта в пределах выделенного участка, м;

г - объемный вес угля, т/м³

Устанавливается в соответствии с маркой угля (Таблица 5.1)

Таблица 5.1 - Объемный вес в зависимости от марки угля

Марка угля	Объемный вес, т/м3
Д	1,3
Г	1,35
Ж	1,4
К	1,45
ОС	1,5
Т	1,55
А	1,60

Согласно моему заданию марка угля - Д = 1,3 т/м³, а выемочная мощность пласта, m = 0,7м. Произведем расчет потери запасов угля в целиках:

Определим общие запасы угля на этом участке:

(5.3)

Далее определяем коэффициент использования природных ресурсов:

(5.4)

Исходя из полученных данных, можно сделать вывод о том, что использование запасов полезного ископаемого (угля) - не рационально для данного участка ведения горных работ, так как коэффициент использования запасов угля < 0,8. Это значит, что 76% общих запасов угля вынимается для дальнейшего использования, а остальные 24% остаются в горных выработках в виде охранных целиков под прудом, под участком геологических нарушений, под зданиями и выработками (k_исп. > 0,8)



6. РАЗРАБОТКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПО ОХРАНЕ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

6.1 Выбор способа закладки выработанного пространства при подземной добыче угля

Закладка выработанного пространства возможна и целесообразна только при условии соответствующего технического уровня производства и когда дает заметный экономический эффект.

Закладка может быть:

- полной;

- частичной, в зависимости от условий добычи.

По способу транспортировки закладываемого материала и формированию из него массива закладывания подразделяется на :

- гидравлическое;

- пневматическое;

- механическое;

- самотечное.

В Украине распространено гидравлическое закладывание выработанного пространства (70-80%), пневматическое (5-10%), закладка отвердевающими материалами (20-25%) в горнорудной промышленности.

Закладка выработанного пространства применяется для:

- управления горным давлением;

- выемки законсервированных целиков угля;

- предотвращения подземных пожаров и внезапных выбросов угля;

- уменьшения деформации земной поверхности и породного массива;

- оставления породы в шахте.

Сущностью закладки выработанного пространства является заполнение его пустой породой, которая называется закладочным материалом. Образованный в выработанном пространстве массив из закладочного материала называется закладочным.

Главное техническое требование, которое относится к закладке, заключается в том, что она должно образовывать в кратчайшие сроки плотный, стойкий закладочный массив, который дает минимальную усадку, низкую воздухопроницаемость, сопротивление трению, равномерную крупность закладочного материала. В случае сплошной системы разработки, породу от проведения штреков, обычно, оставляют в шахте и размещают в выработанном пространстве практически на месте добычи, образовывая бутовые полосы для охраны выработок и горного массива.

При закладке выработанного пространства в зависимости от его способа выдвигаются следующие требования к закладочному материалу:

- при механическом способе закладки используются скреперные и шнековые установки; к закладываемому материалу не выдвигается каких-либо особенных требований.

- при самотечном способе закладки не должен содержать избыточную влагу, а крупность - превышать 120 мм.

Закладываемый материал должен удовлетворять следующим требованиям:

- содержание горючих компонентов не должно превышать 20%, серистых соединений - 5-8%;

- гранулометрический состав сырья должен обеспечивать необходимую усадку и цельность закладываемого массива; предел прочности кусков породы не должен превышать 25 МПа;

- влажность его не должна превышать 5-8%;

- надежность и безопасность транспортировки;

- минимальная слеживаемость и выносливость к замерзанию при хранении на складах;

- невысокая стоимость материала;

При пневматической закладке материал должен быть:

- малоабразивным;

- с минимальным содержанием пылевидных фракций;

- размер кусочков не должен быть более чем 60 мм.

При гидравлической закладке:

- содержание глинистой и илистой фракций в сырье не должно быть больше чем 10%;

- коэффициент фильтрации массива не меньше 0,001см/сек.;

- кислотность воды не ниже рн=5;

- материал не должен размокать в воде.

Для обеспечения минимальной усадки закладываемого массива необходимо:

1. Вводить мелкие фракции (песок, глину).

2. Увлажнять массив до 10-11%

2. Вводить отвердевающие примеси.

3. Достигать оптимальных соотношений фракций различных кусков.

В результате применения полной закладки выработанного пространства твердыми отходами добычи и переработки угля и золо-шлаками ТЕС:

- улучшается горнотехническая обстановка в очистительных забоях;

- исчезают резкие прыжки напряженного состояния горного массива;

- прекращаются завалы лав, внезапные обрушивания кровли и сползания подошвы;

- сокращаются объемы мероприятий против выбросов;

- при отработке пласта с гидравлической закладкой ниже лежащего этажа, когда вышележащий был отработан с обрушиванием кровли, оседания земной поверхности, уменьшается в 2 раза, а сближение боковых пород в лаве более, чем в 3 раза;

- повышается беспечность работ;

- осуществляется охрана недр, земной поверхности и окружающей естественной среды, в целом.

Широкое распространение приобрело также закладка выработанного пространства в бутовые полосы породой, добытой от проходки горных выработок.

Это дает возможность улучшить состояние бортовых выработок (пересечение выработок снижается на 12-15% вместо 50% без закладки). Породные полосы могут возводиться как с помощью пневмозакладочных машин, так и с помощью скреперов. Закладка выработанного пространства проводится одновременно с очистными работами.

Преимущества скреперных установок при закладке в бутовые полосы:

1. Простые в конструктивном отношении.

2. Надежные в работе.

3. Универсальные.

4. Могут работать в сложных горно-геологических условиях.

5. Их производительность 2-2,5 м/ч.

Наибольший экономический эффект закладки породы с помощью скреперов наблюдается при мощности угольного пласта 0,5-0,7м.

Проведение спаренных подготовительных выработок позволяет размещать в межштрековом пространстве (шириной 20 - 40м и больше) всю породу, которая добывается при сооружении.

При добыче угля на крутопадающих пластах со сложными горно-геологическими условиями целесообразно применение самотечной закладки породы в выработанное пространство.

Механическая закладка является свободной от всех недостатков. Механические закладочные машины, которые приводятся в движение обычно электричеством, должны работать непосредственно в выработанном пространстве и перемещаться по забою по мере сводки закладочного массива. Подача закладочного материала к машинам проводится обычным транспортным маршрутом. За счет прессования, а частично трамбования, происходит уплотнение закладочного массива при скреперной закладке.

6.2 Расчет обеспечения достаточного количества породы для закладки в бутовые полосы

К основным параметрам бутовой полосы относят ее ширину и объем. Ширина бутовой полосы определяется по условиям:

В = 6...8m.

где: m - выемочная мощность пласта в пределах выделенного участка, м.

Необходимую породу для закладки двух бутовых полос получают при проведенные откаточного штрека. Если этой породы недостаточно для закладки, ее необходимо забрать из подрывки.

Для этого необходимо рассчитать объем породы из штрека.

Рисунок 6.1 - Забой пластового штрека угольного пласта

Площадь проходки:

(6.1)

где: б - угол падения пласта, °.

Площадь угольного пласта определяется по формуле:

(6.2)

Площадь породы определяется за формуле:

(6.3)

Объем породы для закладки из пластового штрека:

(6.4)

где: L_подв. - длина продвигания лавы в сутки; (L_подв.=1м/сут)

К_разр. - коэффициент разрыхления породы (для песчаников, известняков 1,8-2,0, для алевролита 1,5-1,8, для аргиллита 1,0-1,5). К_разр.=1,5.

Для того, чтобы определять сколько породы будет использовано на возведение бутовых полос необходимо рассчитать их ширину. Ширина одной бутовой полосы равняется:

В₁ = 6*m, м (6.5)



Ширина второй бутовой полосы равняется:

В₂ = 8*m, м (6.6)

Объем породы для выкладки бутовых полос такой ширины равняется:

V_пор=В* L_пос*m, (6.7)

V_пор1=В₁* L_пос*m, мі, (6.8)

V_пор2=В₂* L_пос*m, мі, (6.9)

Объем породы равняется:

V_{пор.бут.}= V_пор1+ V_пор2, мі, (6.10)

Таким образом рассчитывается объем породы, необходимый для возведения бутовых полос.

Далее рассчитывается коэффициент использования породы для закладки выработанного пространства k_{исп.пор}.

(6.11)



В результате расчетов мы видим, что 76% породы полученной при проходке выработки используется для закладки в бутовые полосы, а остальная порода выдается на поверхность в отвалы, что увеличивает нагрузку на земную поверхность, но при закладке выработанного пространства снижается воздействие на земную поверхность над ним.



7. РЕКУЛЬТИВАЦИЯ НАРУШЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ДОБЫЧЕ УГЛЯ

Если при подземном способе угледобычи угля невозможно избежать мульдоподобных оседаний земной поверхности, то их ликвидируют путем рекультивации. Рекультивация - это комплекс горных, мелиоративных, сельскохозяйственных и гидротехнических работ по восстановлению продуктивности и народнохозяйственной ценности нарушенных земель определенной целевой направленности.