Проект мер охраны при подработке пластов угольных шахт

4.2 Расчет ожидаемых сдвижений и деформаций

4.2.1 Расчет параметров сдвижения по 1152,1154,1052 и1054-й лавам пласта С₁₁ и С₁₀

Сдвижение толщи горных пород и земной поверхности, вызванное подземными горными разработками, зависит от многих факторов. Основными из них являются:

· физико-механические свойства горных пород;

· геологическое строение толщи;

· гидрогеологические условия;

· тектонические нарушения (сбросы, трещины, складчатость);

· мощность залежи, глубина разработки, система разработки (размеры очистных выработок, полнота выемки, управление кровлей);

· скорость подвигания очистных работ;

· нарушенность толщи ранее проведенными горными выработками, мощность наносов;

· рельеф земной поверхности.

Основными физико-механическими свойствами горных пород являются: прочность, сопротивление деформациям растяжения, сжатия, изгиба.

Песчаники, известняки и другие горные породы, обладая этими свойствами и слагая толщу вмещающих угольные пласты пород, способствуют развитию процесса обрушения, особенно когда составляют непосредственную кровлю пласта.

В слабых породах с пластическими свойствами (аргиллиты, глины) процесс сдвижения протекает более плавно, в форме прогиба. Чередуемость пород в толще сказывается на проявлении процесса сдвижения на земной поверхности.

Физико-механические свойства горных пород в пределах шахтного поля определяют форму проявления процесса сдвижения. На характер процесса сдвижения оказывают влияние пластичные породы (глины, глинистые сланцы, алевролиты и т.п.) допускают значительные деформации без разрыва сплошности и тем самым способствуют развитию процесса плавного оседания поверхности земли.

Тектонические нарушения и трещиноватость ослабляют сопротивляемость массива горных пород сдвигу, часто образуют направляющие плоскости сдвижений пород и тем самым приводят к изменению углов сдвижения.

Угол падения залежи и вмещающих пород оказывает непосредственное влияние на граничные углы и углы сдвижений. Кроме того, угол падения обусловливает характер сдвижения.

Обводненность толщи пород способствует увеличению пластических свойств пород, следовательно, сдвижению пород в форме прогиба и выполаживанию углов сдвижения. Дренирование вод горными работами дополнительно увеличивает величину оседания.

В результате сдвижений и деформаций толщи горных пород деформируется и нарушается целостность крепи горных выработок. Объекты, расположенные на земной поверхности и попавшие в зону влияния процесса сдвижения (в нашем случае - газопровод и железная дорога) могут деформироваться, а при неблагоприятных условиях подработки - разрушатся. Проявление процесса сдвижения и деформирования горных пород над очистными выработками происходит интенсивно.

Различают три стадии развития процесса сдвижения: начальную (обрушение или прогиб непосредственно кровли), промежуточную (прогиб всей вышележащей толщи пород) и конечную (сдвижение наносов и земной поверхности).

Общая продолжительность процесса сдвижения и периода опасных деформаций на исследуемом участке составит 32 месяца, активная стадия - 16 месяцев (согласно табл. 5.3 [1]).

Под общей продолжительностью процесса сдвижения земной поверхности под влиянием горных разработок считают период, в течение которого в зоне и мульде сдвижения наблюдаются сдвижения и деформации. За начало процесса сдвижения принимается время, когда оседания точек в мульде достигают 15мм (больше погрешности измерений).

Процесс сдвижения считается законченным тогда, когда оседание точек в мульде за последние шесть месяцев не превышает величины 30 мм. Значение величины общей продолжительности процесса сдвижения дает возможность правильно определять сроки застройки подработанных площадей, намечать сроки начала капитального ремонта зданий после их подработки и др.

Сдвижение земной поверхности во времени протекает неравномерно, в связи с чем различают начальную стадию, активную и стадию затухания. Активная стадия процесса сдвижения характеризуется значительными скоростями оседаний точек земной поверхности (при пологом падении более 50 мм). На период этой стадии процесса приходится 85--90% всей величины общего оседания точек земной поверхности и развития максимальных значений деформаций. В связи с этим в период активной стадии должны производиться усиленные наблюдения и контроль за состоянием подрабатываемых сооружений.

Общая продолжительность процесса сдвижения и ее активной стадии весьма различна, установлено, что она зависит от многих факторов, в том числе глубины разработки, мощности вынимаемых пластов, скорости подвигания очистных работ.

Прогноз ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности под влиянием отдельной очистной выработки производится по методике, изложенной в [1]. Расчеты выполнены программой для ЭВМ - «Podrabotka».

Принцип работы программы заключается в следующем. После введения всех необходимых исходных данных по очистной выработке выполняется расчет всех типов сдвижений и деформаций в вершинах прямоугольной регулярной сетки с фиксированным размером. Сетка покрывает всю поверхность мульды сдвижения. Размеры сетки определяются граничными углами для заданного района. Отстраиваются изолинии оседаний методом интерполяции значений по соседним вершинам. Изолинии остальных (векторных) величин отстраиваются по желанию пользователя (в проекте не отстроены). Расчет сдвижений и деформаций в вершинах сетки выполняется в соответствии с методикой [1]. Расчет максимальных сдвижений и деформаций выполняется по формулам, предложенным ВНИМИ. Весь исходный табличный нормативный материал сохраняется.

Расчет сдвижений и деформаций в точках по траектории вытянутых объектов выполняется от влияния всех включенных в проекте очистных выработок. Расчет выполняется по всем видам сдвижений и деформаций в соответствии с методикой [1]. При этом типы отрисованных значений сдвижений и деформаций в вершинах сетки не используются.

В результате расчета программа выдает ожидаемые значения сдвижений и деформаций в расчетных точках. При определении показателей суммарных деформаций зданий используются расчетные значения сдвижений и деформаций, которые получаются умножением ожидаемых на коэффициенты перегрузки

Граничные углы -- это внешние относительно выработанного пространства углы на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды сдвижения, образованные горизонтальными линиями и линиями, соединяющими границы выработанного пространства с граничными точками мульды сдвижения. Граничными точками мульды сдвижения принимаются точки, за пределами которых в сторону неотработанной части пласта растяжения и наклоны не превышают величины 0,5*10^-3.[3]

В Западном Донбассе в неподработанной и подработанной толщах каменноугольных пород согласно таблицы 5.1 [1] граничные углы мульды сдвижения принимаются равными:

b_{_--}=--g_{_}--=--d_{_}--=--65°

в наносах ₀ = 45°

С помощью граничных углов b_{_--}и--g_{_} определяют размеры мульды сдвижения на разрезе по падению пласта, а с помощью угла d_{_} -- по простиранию пласта.

Граничные углы используются также при построении целиков под глубокие вертикальные стволы.

В мульде сдвижения выделяем зону опасных сдвижений. На разрезе вкрест простирания опасную зону сдвижения выделяем с помощью углов сдвижения b_,--g, на разрезе по простиранию -- с помощью угла--d.

Углы сдвижения b,--g,----d -- внешние относительно выработанного пространства углы, образованные горизонтальными линиями и линиями, соединяющими границы выработки с точками мульды сдвижения, за пределами которых (в сторону неотработанных частей пласта) величины деформаций не достигают опасных для подрабатываемых сооружений. Опасными, или критическими, величинами деформаций принято считать: для наклонов 4*10^-3, растяжений (сжатий) 2*10^-3, кривизны 0,2*10^-3 1/м.

Углы сдвижения в коренных породах и наносах, согласно [1] табл.5.2, в Западном Донбассе:

b_--=--g--=--d--=--75°

в наносах = 50°

Угол Q определяет на разрезах при неполной подработке земной поверхности точку в мульде с максимальным оседанием.

y₁,--y₂,--y₃ -- углы полной подработки (полных сдвижений) -- это внутренние относительно выработанного пространства углы, образованные линиями, соединяющими границы плоского дна мульды с границами очистной выработки и плоскостью пласта в главных сечениях мульды. С помощью углов y₁,--y₂ определяют размер плоского дна мульды на разрезе по падению пласта. При этом угол y₁ откладывается у нижней границы очистной выработки, y₂ -- у верхней, а угол y₃ -- на разрезе по простиранию пласта. Если линии, проведенные под углами y₁,--y₂ на разрезе по падению и y₃ на разрезе по простиранию, пересекутся ниже земной поверхности, то в мульде будет отсутствовать плоское дно.

Углы максимального оседания Q--и полных сдвижений y₁,--y₂ и y₃--определяются в зависимости от угла падения пласта по табл.5.1,стр10 [1]:

Q--=--9_°-_,8*3°=87°;--y₁=55°;--y₂=56°;--y₃=--55°;--y₂=56°

Относительная величина максимального оседания q_о и максимального горизонтального сдвижения а₀ определяется в соответствии с таблицей А.1 [1]

q_о=0.85 м; а₀=0.4 м

При повторной подработке величина максимального оседания q_о рассчитывается по формуле:

, (2.1)

где, Н - средняя глубина разработки от земной поверхности до пласта С₁₀;

Н=370 м

Н₁ - глубина разработки от земной поверхности до ранее отработанного пласта С₁₁; Н₁ = 350 м.

Окончательное значение относительной величины максимального оседания q_о вычисляется в зависимости от угла падения пласта :

- при повторной подработке

(2.2)

Расстояние в главном сечении мульды на разрезе вкрест простирания или по простиранию между границей мульды и точкой пересечения с земной поверхностью линии, проведенной под углом максимальных оседаний, является длиной мульды.

По граничным углам и углам сдвижения на разрезах по простиранию и вкрест простирания отстраиваю зоны влияния горных работ и определяю длины полумульд L₁ и L₂, L₃.

Для 1152,1154,1052 и1054-й лав: L₁=506 м; L₂=288 м; L₃=311 м.

Выполняем расчет ожидаемых сдвижений и деформаций по линиям главных сечений. Результаты расчетов сведены в таблицу (3).

Таблица 3.- Параметры сдвижения по лавам

4.2.2 Расчет ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности вдоль газопровода и железнодорожного полотна

Расчет выполняем по направлению траектории железной дороги и газопровода с шагом точек определения сдвижений и деформаций - 20 м. Определение сдвижений и деформаций производилось только в зоне влияния лав.

Ожидаемые сдвижения и деформации вдоль железной дороги и автодороги сведены в таблицу 4.

Таблица 4 - Расчет ожидаемых сдвижений и деформаций вдоль железнодорожного полотна и автодороги

4.3 Определение расчетных показателей сдвижений и деформаций вдоль газопровода и железнодорожного полотна

Согласно пункту А.2.8.4 [1] расчетные сдвижения и деформации земной поверхности получаем путем умножения максимальных ожидаемых сдвижений и деформаций на коэффициент перегрузки n ,определяемые по таблице А 8.[1]

Определение расчетных показателей сведены в табл.5. и табл.6.

Таблица 5 - Определение расчетных показателей сдвижений и деформации вдоль железнодорожного полотна

Таблица 6 -Определение расчетных показателей сдвижений и деформаций вдоль газопровода

Согласно пункту 6.4.2.[1] для железной дороги и газопровода следует определять расчетные показатели горизонтальных деформаций, наклонов и кривизны.

Расчетный показатель горизонтальных деформаций определяется по формуле:

где - коэффициент условия работы ,=1

- максимальные горизонтальные деформации

- коэффициент приспособления ,=1

Расчетный показатель наклонов определяется по формуле:

где - максимальные расчетные наклоны

- коэффициент условия работы , =1

Расчетный показатель кривизны определяется по формуле:

где - максимальные расчетные значения кривизны;

- коэффициент условия работы , =1

Согласно пункту 6.4.1 [1] для железных дорог и газопровода следует принимать расчетную суточную скорость оседания, которая вычисляется по формуле:

Где с-скорость подвигания очистного забоя, м /сут;

- максимальное оседание земной поверхности, мм ;

Н - глубина подработки.

4.4 Обоснование и мероприятия охраны подрабатываемых объектов

4.4.1 Расчет допустимых сдвижений и деформаций для железнодорожного полотна и газопровода. Сравнение их с расчетными

Подъездные пути к ЦОФ «Павлоградская» согласно 7.4 [1] относятся к IV категории железных дорог и для них приняты следующие допустимые показатели деформаций и суточная скорость оседания земной поверхности:

 =8,0*10^-3 , =10,0*10^-3 , [К] =5,0*10^-4 1/м , [v] =10 мм/сут

Расчетные показатели равны:

=6,54*10^-3 , =11,21*10^-3 , [К] =119,90*10^-6 1/м , [v] =23,5 мм/сут

Газопровод высокого давления согласно 7.10 [1] относятся к 1(б) - газопроводы подземные магистральные и разводящие и для них приняты следующие допустимые показатели деформаций:

=8,0*10^-3

Расчетные показатели равны:

=6,54*10^-3

4.4.2 Меры охраны

Согласно приведенным выше расчетам (пункт 5.4.1) расчетные показатели деформации земной поверхности не превышают допустимых, следовательно специальных мер охраны не предусматривается.

Согласно таблицы 5 [1] продолжительность процесса сдвижения составит 32 месяца, а процесс активной стадии составит 16 месяцев. На период процесса сдвижения предусматривается производить инструментальные наблюдения за объектом. Наземные мероприятия по охране железной дороги сведены в таблицу 7.

Таблица 7 - Наземные мероприятия по безопасному ведению горных работ при подработке железной дороги

4.4.3 Проект наблюдательной станции

Наблюдательная станция должна быть заложена заблаговременно до начала ведения очистных работ. До начала наблюдений определяются координаты X,Y Z опорных реперов, относительно существующей геодезической сети на земной поверхности.

С одной и другой стороны от подрабатываемого участка, вне зоны опасного влияния, по оси объектов закладывается по 3 опорных репера. Репер представляет собой металлический штырь диаметром 12 мм и длиной 500 мм. Рельсовый путь на подрабатываемом участке разбивается краской, а газопровод рабочими реперами по оси на пикеты через 20 м.

Инструментальные наблюдения на станции включают:

- нивелировка по пикетам рельсового пути и реперам газопровода, нивелиром Н-3;

- измерение расстояний между пикетами, стальными компарироваными рулетками.

Методика измерений - инструментальные наблюдения реперов на наблюдательной станции (в период опасных деформаций) производится 2 раза в месяц, в остальное время 1 раз в месяц. Результаты нивелировок передаются на станцию ш. «им. Героев Космоса» в течение двух суток.

Согласно [1] началом процесса сдвижения земной поверхности при удалении лавы от разрезной выработки считается момент времени, когда очистной забой находится от разрезной выработки на расстоянии С в метрах, определяемом по формуле:

С = Н ср * А0 ,

где А0 - коэффициент, определяемый по таблице 5.4. «Правил подработки…» в зависимости от угла сдвижения.

В данном случае угол сдвижения равен 65 градусов и А0 = 0,2.

С = 350 * 0,2 = 70 м.

Выводы

В ходе работы над проектом были произведены расчеты и построения с помощью компьютерной программы в основу которой заложена методика определения расчетных величин сдвижения и деформаций с учетом полученных для Западного Донбасса закономерностей процесса сдвижения.

Принцип работы программы заключается в следующем. После введения всех необходимых исходных данных по очистной выработке выполняется расчет всех типов сдвижений и деформаций в вершинах прямоугольной регулярной сетки с фиксированным размером. Сетка покрывает всю поверхность мульды сдвижения. Размер сетки определяются граничными углами для заданного района. Отстраиваются изолинии оседаний методом интерполяции значений по соседним вершинам. Изолинии остальных (векторных) величин отстраиваются по желанию пользовател (в проекте не отстроены). Расчет сдвижений и деформаций в вершинах сетки выполняется в соответствии с методикой [1]. Расчет максимальных сдвижений и деформаций выполняется по формулам, предложенным ВНИМИ. Весь исходный табличный нормативный материал сохраняется

Расчет сдвижений и деформаций в точках по траектории вытянутых объектов выполняется от влияния всех включенных в проекте очистных выработок. Расчет выполняется по всем видам сдвижений и деформаций в соответствии с методикой [1]. При этом типы отрисованных значений сдвижений и деформаций в вершинах сетки не используются.

В результате расчет программа выдает ожидаемые значения сдвижений и деформаций в расчетных точках. При определении показателей суммарных деформаций зданий используются расчетные значения сдвижений и деформаций, которые получаются умножением ожидаемых на коэффициенты перегрузки.

Были получены параметры свижения по лаве, которые показывают характер процесса сдвижения на шахте. На выкопировку с плана горных работ нанесена зона влияния подработки, которая отражена в изолиниях оседания. Это позволяет быстро оценить предварительную степень влияния на подрабатываемых объектов. Для наглядности процесса сдвижения по лаве рассчитаны величины всех видов деформаций по главным сечениям (полумульды по падению) и на базе расчетов построены графики.

Для подрабатываемых объектов получены все виды ожидаемых деформаций вдоль полотна железной дороги и газопровода с интервалом в 20 м на основе расчетов построены графики. Учитывая коэффициент перегрузки получаем расчетный показатели.

Для железной дороги показатели расчетных горизонтальных деформаций, наклонов, кривизны и суточная скорость оседания не превышают допустимых. После анализа расчетов предложены меры охраны.

Проанализировав расчеты проекта можно сделать вывод:

- для газопровода попавшего в зону влияния ожидаются деформации, не превышающие допустимые, поэтому предложены незначительные ремонтные работы и инструментальные наблюдения;

- для железной дороги показатели деформации не превышают допустимые, но, учитывая их величину, предложены ремонтные работы и инструментальные наблюдения.

Список литературы

1. Правила безопасности в угольных шахтах. Разр. Мин-вом угольной пром-ти Украины и Гос. Комитетом Украины по надзору за охраной труда. Киев, 1996 г. с. 424.

2. К.Н. Ткачук, А.О. Гурін, П.В. Бересневич, Д.П. Іванчук, І.О. Ошм'янський, А.А. Немченко, М.О. Халімовський, К.Е. Теличко. Охорона праці (підручник для студ.).- К. 1998. - 320 с.

3. Маркшейдерское дело. Учебник для вузов/ Д.Н. Оглоблин, Г.И. Герасименко, А.Г. Акимов и др. - 3-е изд., перераб и доп. М., «Недра», 1981. - 704 с.

4. Борщ-Компанеец В.И., Навитный А.М., Кныш Г.М. Маркшейдерское дело. - 2-е изд., доп. и перераб. М.: Недра, 1985. - 397 с.

5. Инструкция по наблюдениям за сдвижением горных пород, земной поверхности и подрабатываемыми сооружениями на угольных и сланцевых месторождениях / Мин-во угольной промышленности СССР: Утв. 30.12.87. Разраб. ВНИМИ; Состав.: И.А. Петухов, Н.И. Митичкина, В.Н. Земисев и др. - М.: Недра, 1989. - 96 с.

6. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях / Министерство угольной промышленности СССР. - М., Недра, 1981, 288 с.

7. Правила підробки будівель, споруд і природних об'єктів при видобуванні вугілля підземним способом / Мінпаливенерго України. - К., 2004, 128 с.

8. Отчет о первой производственной практике. Дн-ск, 2006 г.

9. Отчет о второй производственной практике. Дн-ск, 2007 г.

10. Методические указания по написанию дипломного проекта. Днепропетровск НГУ, 2002 г.

Размещено на Allbest.ru