Геомеханічні основи запобігання обвалень земної поверхні над шахтами, що ліквідуються

Розроблена методика вибору раціональних способів забезпечення стійкості поверхні і їх параметрів в залежності від гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов. Для раціонального вибору конкретної технології або їх поєднань були використані методи штучного інтелекту. На основі нечіткої (фузі) логіки та результатів досліджень автора були сформульовані початкові “фузі-правила", що визначають прийняття рішення по застосуванню конкретних заходів для керуванням стійкістю масиву з урахуванням площі залишених ціликів, міцності порід у цілому та окремого шару (що перекриває вироблений простір), глибини і відстані до окремого шару.

На базі логічної машини (у вигляді нейронної мережі) був використаний алгоритм навчання мережі з підстроюванням її параметрів на основі обліку нев'язки між поточним і заданим векторами вихідних величин. Кількість входів приймалася рівним 5, що відповідало кількості початкових параметрів. Була досягнута помилка вектора рішень, що не перевищує 10% максимального значення вихідної величини. Це рішення було отримане для таких умов: альтернативне тренування по 3 правила через 2 ітерації при шумі 0,5, моменті 0,5, швидкості навчання 0,5, точності 0,1 і при архітектурі нейронної мережі 5-3-3. На реалізацію останньої вдалої сесії тренування було затрачено понад 3000 ітерацій. Рішення зі списку вихідного вектора приймається при величині виходу, більшій 0,5. Підсумкова мережа і вагові коефіцієнти приведені на рис. 6.

Оскільки обвалення устя стволу є катастрофою з точки зору стійкості земної поверхні, автором встановлена залежність для визначення параметрів кратера обвалення в залежності від основних чинників. На рис. 7 показана схема провалу устя ствола глибиною Н, діаметром d, який спустів внаслідок усадки засипки. Внаслідок провалу діаметром d1 і висотою h1 частина ствола, що опустіла, заповнюється розпушеною породою з коефіцієнтом розпушення К. Кут природного укосу провалу ц знаходиться, за даними моделювання і шахтним спостереженням, в межах 15-650 і залежить від шаруватості, міри вивітрювання і міцності порід наносів і масиву, що примикає до них. Умова заповнення порожньої частини стволу розпушеними породами, що обвалилися з тіла конусу, буде записана у наступному вигляді:

Vств.=Vкон. K, (3)

де Vств. - об'єм порожньої частини стволу нижче за основу конусу;

Vкон. - об'єм порідного тіла конусу обвалення за вирахуванням пустоти стволу.

Виходячи зі схеми на рис. 7 і використовуючи формули об'ємів усіченого конусу і циліндра, отримуємо:

Vств.=0,25рd2[H-(d1-d2)/(2tgц)]. (4)

Vкон.=Kр(d1-d)[d12+d1d+d2-3d2]/(24tgц). (5)

Після підстановки (3) і (4) в (5) і перетворень знаходимо кубічне рівняння для діаметру кратера:

d13K+d13(1-K)d2+[2Kd-3d- 6Htg]d2=0. (6)

Дослідження поведінки рішення рівняння (6) показало, що із збільшенням глибини дільниці стволу, яка спустіла, діаметр кратеру і його висота спочатку різко зростають, досягаючи 17-23 м і 8-11 м відповідно при глибині стволу 50 м. При досягненні глибини порожньої частини стволу 300 м діаметр кратеру перевищує 40 м, а його висота становить 15-23 м. При цьому об'єм кратеру обвалу досягає 5000 м3, що добре узгоджується з даними, які реєструються на погашених стволах Чехії і Німеччині. Діаметр кратеру обвалення може бути і менше розрахункового, коли він зафіксований в проміжній стадії, або коли провал устя стався внаслідок об'єднання підземного обвалу з провалом устя, механізм якого детально описаний раніше.

Характерно, що збільшення кута нахилу границь кратера приводить до зростання його діаметра і зменшення глибини, хоч об'єм породи, що обвалилася, все одно зростає. Потенційно провалонебезпечним стає набагато більша площа, яка примикає до устя стволу. З урахуванням запасу надійності і невизначеності характеру навантаження крайової частини розрахунковий діаметр воронки повинен бути збільшений в 2 рази.

Автором на основі даних моделювання, результатів обстеження натурних дільниць провалів, а також з урахуванням відомих параметрів зон зрушення для підземних розробок була складена таблиця для визначення кутів нахилу бокової стінки провального кратеру до вертикалі. Кут нахилу тим більше, чим більше потужність наносів і нижче міцність корінних порід, що вміщують погашений ствол. При цьому міцність порід приймається як середньозважена в діапазоні глибини, на яку відбувається провал устя. Розроблена методика дає можливість оцінки параметрів провального кратера устя погашеного стволу для обгрунтованого вибору границь захисної зони, в якій забороняється будівництво стаціонарних наземних споруд.

На підставі статистичних даних, що отримані автором роботи, і аналізу результатів незалежних досліджень був розроблений метод наближеної оцінки часу, необхідного для провалу устя погашеного стволу на основі нечіткої логіки. Як початкові чинники, що визначають період часу між погашенням стволу і вірогідним моментом провалу гирла, були виділені: приведена міцність порід, стан кріплення, обводнення і діаметр стволу.

На підставі даних, що отримані автором дисертації, а також іншими дослідниками, встановлені функції членства для виділених чинників. Враховуючи високий ступінь невизначеності, чинники були розбиті на 3 рівні. Міцність вміщуючих порід розподілялася на малу, середню і високу. Стан кріплення характеризувався як добрий, середній та незадовільний. Діапазони діаметра стволу і обводнення поділяють на малий, середній і великий. Час, необхідний для провалу устя, градуюється на малий, середній і довгий. Функції членства пов'язують понятійні, якісні фактори з кількісними показниками.

Був створений і запрограмований алгоритм так званої машини по виведенню висновків. Спочатку визначається приведена міцність вміщуючих порід, приведений стан кріплення і діаметр стволу. Далі ці початкові дані фузіфікуються з урахуванням випадкових відхилень перших двох параметрів (тобто, цифрові дані переводяться в якісні, понятійні). Потім за допомогою імплікації і композиції “діапазон часу обвалення рівний більшому діапазону з менших величин по всіх початкових чинниках" отримують відповідь на питання, як довго погашений ствол буде стійким. Незважаючи на те, що відповідь отримують якісну, вона характеризує діапазон найбільш вірогідного періоду стійкого стану стволу. Такий метод дає можливість оцінити стан поверхні навколо погашеного стволу і провести її інвентаризацію, що вельми важливо з практичної точки зору.

Промислова перевірка і економічна оцінка розроблених технологій. Реалізація розроблених технологій або їх елементів проведена на шахті ім. Ф. Кона при погашенні вертикального стволу глибиною 540 м. Ствол гасився на основі традиційної технології згідно з правилами безпеки. Для підвищення надійності результатів погашення додатково була використана технологія автора, яка модифікувала первинний проект таким чином.

Ствол був ретельно оглянутий і складена карта розподілу тріщинуватості його кріплення. Загалом стан бетонного (вище за відмітку 90 м) і цегельного кріплення був вельми задовільним, що створювало гарні передумови для погашення стволу шляхом його засипки. Лише на обмежених дільницях були виявлені пошкодження кріплення. На діаграмі видно локальне збільшення модуля тріщинуватості на вказаних дільницях. На цих дільницях кріплення було відновлене шляхом цементації, посилення анкерами, або заміною новим. Роботи по посиленню або відновленню кріплення проводилися заздалегідь перед демонтажем обладнання в стволі. У приствольному дворі були встановлені перемички, підземні виробки за перемичками погашені для запобігання катастрофічного прориву засипки і її просадки в стволі. Ствол засипали перегорілою породою з сусіднього терикону. Згідно з рекомендаціями автора, спочатку використовувались найбільш дрібні фракції порід, яких було надлишок в межах старого терикону, що мався в розпорядженні шахти поряд зі стволом. По мірі збільшення висоти засипки в технологічний процес залучали більш великі фракції. Середній діаметр фракцій по глибині стволу змінювався згідно з таким принципом: до глибини 340 м - 15 мм; до глибини 200 м - 25 мм, решта 30 - 50 мм.

Враховуючи небезпеку просідання засипки, а також близькість устя стволу до житлових будинків, було прийняте рішення про заміну традиційної плоскої перемички на склепінну у вигляді параболоїда обертання, яку згідно з правилами безпеки треба встановити на глибині не менше за 10 м від поверхні. Перемичку спорудили на глибині двох діаметрів стволу, тобто 12 м, а параметри перемички вибрали згідно рекомендацій автора. Враховуючи неминучу просадку засипки в майбутньому, це збільшує стійкість найбільш відповідальної частини стволу, спорудженої в області наносів. Зараз ствол засипаний повністю. Ведуться інструментальні спостереження за станом поверхні в зоні його впливу.

Автором проведений аналіз економічної діяльності шахти за допомогою динамічної комп'ютерної моделі. Це зроблене для оцінки фінансового навантаження на шахту при самостійному проведенні робіт по погашенню гірських виробок і вертикальних стволів на відпрацьованих дільницях. Показано, що для забезпечення стійкої роботи шахти необхідно дотувати роботи по погашенню старих робіт або передбачити на цю мету 2-7% амортизаційних відрахувань від початкової вартості цих об`єктів.

Результати розробок пройшли промислові випробування і впроваджені при погашенні вертикальних стволів в процесі закриття шахт і шахтоуправлінь ім. Фелікса Кона, Червона Зірка, Куйбишевське, Мушкетівська-Вертикальна і інші.

Рекомендації автора були використані інститутом Дондіпрошахт при складанні проектів погашення вугільних шахт Мушкетівська-Вертикальна, ш/у Червона Зірка, Заперевальна №1, 60-річчя України. Для умов Західної Віргінії (США) розроблені раціональні параметри технологій запобігання провалам земної поверхні над погашеними похилими стволами і покиненими шахтами неглибокого розташування. Елементи технології “примусовий провал товщі до самої поверхні” використані при управлінні усіданням поверхні шляхом забезпечення повноти виїмки охоронного цілика на шахті Південно-Донбасська №1. Тимчасові вказівки до погашення вертикальних стволів затверджені теруправлінням Держнаглядохоронпраці по Донецькій області як нормативний документ для ведення робіт по закриттю шахт ДК “Укрвуглереструктурізация”. Загальний економічний ефект від реалізації розробок автора за рахунок додаткового виймання вугілля становить 850 тисяч гривень на рік. Очікувана економія від реалізації технології погашення вертикальних стволів оцінюється в 135 тис. гривень на один ствол за рахунок ліквідації можливості провалів, або понад 13 млн. гривень при повному виконанні програми погашення шахт в процесі реструктуризації вугільної промисловості України. Рекомендації даної роботи прийняті проектними інститутами при погашенні вугільних шахт, що закриваються.

Обгрунтованість і достовірність отриманих висновків і рекомендацій забезпечується застосуванням фундаментальних положень термодинаміки незворотних процесів в комплексі з натурними спостереженнями обвалених масивів; коректним застосуванням теорії нечітких множин і нейронних мереж для прогнозування часу обвалення і вибору раціональної технології його запобігання; задовільним збігом якісних і кількісних характеристик механізму тривалих зрушень, отриманих різними методами досліджень: натурними спостереженнями, фізичним і комп'ютерним моделюванням; статистично значущим об'ємом лабораторних і шахтних експериментів і збігом, в межах 30%, розрахункових і фактичних значень часу провалу устя стволу.

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій науково обгрунтовано механізм тривалих зрушень земної поверхні над покиненими горизонтальними виробками неглибокого розташування і навколо вертикальних стволів. На його підставі вирішена актуальна науково-прикладна проблема створення геомеханічних основ запобігання обвалень і забезпечення стійкості земної поверхні над погашеними шахтами, що має важливе значення для вугледобувної галузі України.

Основні наукові і практичні результати роботи полягають у наступному.

1. Теоретично, за допомогою термодинаміки незворотних процесів, встановлено, що управління станом масиву над погашеними похилими стволами доцільно засновувати на трьох принципах: а) штучне збільшення тріщинуватості і пустотності обвалених порід; б) штучна дезорієнтація блоків порід, що обвалюються; в) збільшення довговічності порід, що ще не обвалилися, і фіксація тих, що обвалилися раніше. Виявлений зв'язок двох перших чинників з третім вигідно використати для управління масивом гірських порід навколо покиненої шахти.

2. Тривалі зрушення товщі розвиваються у часі і просторі неврегульованими одиничними обваленнями, внаслідок чого загальна висота зони обвалення стрибкоподібно зростає через нерегулярні інтервали часу. При цьому практично немає помітної залежності між висотою кожного одиничного обвалення і часом його реалізації (коефіцієнт кореляції склав не більше за 0,16), що свідчить про нерегулярність і погану передбачуваність розвитку руйнування у часі.

3. Встановлено питому вагу відносно слабкого і відносно міцного шарів породи у розвитку процесу тривалих зрушень над погашеним похилим стволом і виробками неглибокого розташування. Зареєстрований ефект згасання тривалих зрушень по мірі наближення до міцного шару. Границі зрушення порід у площині переріз виробки сходяться під гострим кутом 45-600 до підошви міцного шару. Таким чином, при достатній потужності (не менше за 1/3 висоти виробки) і міцності по відношенню до рядових порід (70-80 МПа або вдвічі вище за міцність інших порід), цей шар зупиняє процес руйнування вище розташованої товщі на невизначено тривалий термін.

4. При відношенні товщини порідного перекриття виробки Н до її висоти h більшому п'яти, відмічена тенденція до плавного прогину поверхні з характерною мульдою зрушення. При зменшенні цього відношення нижче критичного Н/h < 4_5 спостерігається провал трубоподібної форми; при цьому границі зрушення однорідної товщі порід мають вертикальну орієнтацію. При наявності в товщі порід слабкого (в порівнянні з рядовими) шару процес руйнування починає розвиватися від нього та призводить до нахилу границь зрушення під тупим кутом до поверхні (110-1200). Слабкий шар (потужністю 0,80 висоти виробки і міцністю менше за 0,24 міцності іншого масиву) в порідній товщі, що обвалюється, є провокуючою ланкою, яка сприяє значному зростанню зони обвалення, висота якої перевищує в декілька разів потужність найслабкішого шару. Відбувається це внаслідок його руйнування і висипання на величину, що перевищує ширину оголення, що, в свою чергу, якісно змінює зону руйнування над виробкою із замкненої склепоподібної на розімкнену, що виходить на поверхню.

5. Підкреслена істотна роль штучного розпушення і дезорієнтації фрагментів масиву в зменшенні кінцевої величини провалу або мульди зрушення. Вони значно знижують активність зрушення у часі над виробкою неглибокого розташування. Доведено, що збільшення інтервалу, на якому проводиться штучне розщільнення товщі, зменшує величину її усідання над покиненою виробкою. Так, при природному обваленні площа мульди провалу у вертикальному перетині дорівнює 43% від площі перетину покиненої виробки; при здійсненні штучного розщільнення на інтервалі 1,5 висоти виробки в її покрівлі площа мульди меншає до 32%, тобто в 1,3 рази. При здійсненні такого розщільнення в покрівлі на інтервалі 1,7h і в грунті - 0,8h це зменшення становило 5,5 рази.

6. Встановлено новий механізм тривалого руйнування порід, що вміщує покинений або погашений вертикальний ствол. У зоні наносів відбувається накопичення пошкоджень, що примикають до устя стволу порід з подальшим їх обваленням і стохастичним формуванням несиметричного конуса обвалення. При цьому об'єм зруйнованих більш міцних порід, що примикають до слабого шару-ініціатора руйнування, може в 4-5 раз перевищувати об'єм зруйнованих слабких порід. У глибинній частині стволу, навколо ослаблених прошарків порід і місць порушення цілісності кріплення, руйнування виникають вибірково і не симетрично. По мірі розвитку тривалих зрушень порожнина обвалення переміщується вгору і, в кінцевому результаті, змикається з конусом обвалення устя стволу, що призводить до катастрофічного провалу поверхні.

7. Дренування вод сприяє інтенсивному вимиванню тонких фракцій, їх перерозподілу у низ засипки, що викликає просадку останньої з випорожненням стволу по висоті на десятки і сотні метрів. У результаті тиск засипки не тільки на дно стволу, але й на перегородки або упорні пробки зростає до величини, близької до геостатичної, створюючи реальні передумови для прориву засипки в підземні виробки, що примикають.

8. Встановлено залежність діаметру, глибини кратеру обвалення устя стволу і часу його провалу після погашення стволу від глибини стволу, кута укосу бічної стінки кратера, коефіцієнта розпушення обваленої породи, діаметра стволу і міцності порід. Зіставлення розрахункового і фактичного значень часу провалу устя стволу показало задовільну збіжність в межах 30%.

9. Розроблені нові способи запобігання або зменшення небезпеки провалів земної поверхні над погашеними похилими стволами і виробками неглибокого розташування: а) вибухопідбутовка підробленого масиву; б) примусове обвалення завислої товщі; в) посилення завислої товщі. Встановлені раціональні параметри цих способів в залежності від гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов, а також від стану поверхневих споруд. Рекомендована доцільність комбінування всіх вищезгаданих способів, зокрема, поєднання вибухопідбутовки навколо покиненої виробки або порожнини з посиленням основи безпосередньо у поверхні.

10. Автором вдосконалені існуючі і розроблені нові способи погашення або консервації стволів шахт, що закриваються. Удосконалення засновані на виявленні нестійких дільниць кріплення перед погашенням стволу, обгрунтуванні заходів і плануванні робіт по посиленню цих дільниць. Підготовлений у такий спосіб ствол може бути затоплений водою на заздалегідь узгоджений із замовником проміжок часу, протягом якого гарантується його стійкий стан, або може бути засипаний пустою породою. Це забезпечує безпеку експлуатації земної поверхні за рахунок гарантованої стійкості стінок стволу протягом заданого замовником часу.

11. Розроблена конструкція і обгрунтована ефективність нового розпірного пристрою для посилення стінок стволу. Ним є навантажена оптимальною вагою засипки склепоподібна перемичка в формі параболоїда обертання з параметрами: товщина в центрі - 0,2d (d - діаметр стволу), стріла підйому в центрі - 0,4d, глибина закладення - 0,3d, ширина опорної п'яти - 0,3d, кут нахилу п'яти мембрани до горизонту - 35-400. Показано, що така перемичка, створюючи напружений стан в стінках стволу і вміщуючих породах, сприяє їх тривалій стійкості: вона зменшує рівень критичних напружень в прилеглому масиві порід в 3, а в самій перемичці - в 1,5 рази шляхом трансформації вищезгаданого навантаження в
об'ємний напружений стан в місцях закладення перемички. У результаті максимальні дотичні напруження зменшуються в 1,5 рази, а область їх локалізації переміщується углиб масиву, що сприяє його тривалій стійкості.

12. Запропоновано новий критерій стійкості стінок стволу, що підлягає консервації. В цьому критерії враховані залишкова несуча здібність кріплення перед погашенням стволу, величина тектонічної активності і стійкість порідного оголення. Розроблена нова експертна система вибору раціональних рішень по управлінню гірським масивом над покиненими шахтами при довільних початкових умовах. У її основу покладені ідеї теорії нечітких множин, реалізовані в формі нейронної мережі.

13. Результати розробок пройшли промислові випробування і впроваджені при погашенні вертикальних стволів в процесі закриття шахт і шахтоуправлінь ім. Фелікса Кона, Червона Зірка, Куйбишевське, Мушкетівська-Вертикальна і Південно-Донбаська №1. Рекомендації автора використані інститутом Дондіпрошахт при складанні проектів погашення вугільних шахт Мушкетівська-Вертикальна, Заперевальна №1, 60-річчя України, ш/у Червона Зірка. Для умов Західної Віргінії (США) розроблені і передані раціональні параметри технологій запобігання провалам земної поверхні над погашеними похилими стволами і покиненими шахтами неглибокого розташування. Тимчасові вказівки до погашення вертикальних стволів, затверджені теруправлінням Держнаглядохоронпраці по Донецькій області як нормативний документ для ведення робіт по закриттю шахт ДК “Укрвуглереструктуризація". Загальний економічний ефект від реалізації розробок автора на Україні в цінах 1999 року становив 850 тис. гривень на рік. Рекомендації даної роботи прийняті проектними інститутами, що розробляють технічну документацію погашення вугільних шахт, що закриваються.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ РОБОТАХ:

1. Звягильский Е.Л. Назимко В.В. Теоретический анализ способов управления приповерхностным массивом горных пород // Горно-металлургические проблемы Донбасса. - Донецк: ИНФО. - 1995. - С. 4-17.

2. Звягильский Е.Л. Характерные формы и механизмы сдвижений в окрестности заброшенного вертикального ствола // Известия ДГИ - ДонГТУ. - 1998. - №2. - С. 18-22.

3. Звягильский Е.Л. Рациональная технология погашения вертикального ствола // Известия ДГИ - ДонГТУ. - 1998. - №2. - С. 28-31.

4. Звягильский Е.Л. Обоснование критерия устойчивости погашенного вертикального ствола // Уголь Украины. - 1998. - №11. - С. 9-10.

5. Назимко В.В., Звягильский Е.Л. Экспертная система на основе комбинации нечеткой логики и нейронной сети для выбора рациональной технологии предотвращения обрушений земной поверхности // Искусственный интеллект. - 1998. - №2. - С. 105-112.

6. Звягильский Е.Л. Закономерности сдвижений над заброшенными горизонтальными выработками мелкого заложения // Физико-технические проблемы горного производства. - Донецк: БСГ. - 1998. - С.33-37.

7. Звягильский Е.Л., Назимко В.В., Сажнев В.П. Исследование процесса длительного разрушения и разуплотнения толщи на блочных моделях // Вiсник НГАУ. - 1998. - №3. - С. 20-22.

8. Nazimko V.V., Zviagilsky E.L., Axexandrov S.N. International conference on geomechanics/ground control in mining and underground construction // Australian Geomechanics. - Vol.3, №33. - 1998. - P. 60-61.

9. Звягильский Е.Л., Сажнев В.П. Определение сравнительных характеристик механических свойств эквивалентных материалов на легких испытательных установках // Весник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков: ХГПУ. - 1999. - №36. - С. 92-97.

10. Комплексное решение отработки выемочных столбов и обеспечения устойчивости выработок путем их надработки / Бугара М.И., Коломиец В.А., Слипко А.А., Щербаков В.А., Звягильский Е.Л. // Известия ДГИ - ДонГТУ. - 1999. - №1. - С. 3_5.

11. Управление устойчивостью очистного забоя на сопряжении с помощью регулирования отпора механизированной крепи / В.К. Данилов, И.Е. Иванов, В.А. Сугаков, Е.Л. Звягильский // Известия ДГИ - ДонГТУ. - 1999. - №1. - С. 10-13.

12. Звягильский Е.Л. Предотвращение провалов земной поверхности над заброшенными шахтами // Уголь Украины. - 1999. - №5. - С. 23-25.

13. Звягильский Е.Л. Изучение кинетики обрушения толщи над горизонтальными выработками мелкого заложения // Проблемы горного давления. -Донецк: ИНФО. - 1999. - №2. - С. 17-29.

14. Звягильский Е.Л. Анализ проявлений длительных сдвижений поверхности у заброшенных вертикальных шурфов на отводе шахтоуправления им. Газеты Правда // Уголь Украины. - 1999. - №6. - С. 36-37.

15. Звягильский Е.Л. Назимко В.В., Александров С.Н. Основные технологии погашения и консервации вертикальных стволов на закрываемых шахтах // Уголь Украины. - 1999. - №11-12. - С. 26-30.

16. Звягильский Е.Л. Исследование напряженного состояния ограждающей перемычки и прилегающих к ней пород погашенного вертикального ствола поляризационно-оптическим методом // Геотехническая механика. - Днепропетровск: Полиграфист. - 1999. - №13. - С. 65_71.

17. Звягильский Е.Л. Алгоритм выбора мероприятий по предотвращению обрушения поверхности над заброшенными шахтами // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ. - 1999. - №7. - С. 48-49.

18. Звягильский Е.Л. Оценка риска провала поверхности над заброшенными шахтами с помощью ТДР мониторинга // Известия ДГИ - ДонГТУ. - 1999. - №2. - С. 9-13.

19. Звягильский Е.Л., Назимко В.В. Результаты интегрированного мониторинга длительных сдвижений над шахтами, добывающими поташ // Сборник трудов Национальной горной академии Украины. - 1999. - Днепропетровск: НГАУ. - Т.2, №7. - С. 8-13.

20. Звягильский Е.Л. Анализ данных обследования процесса прогрессирующего сдвижения над шахтой Кирунавара // Маркшейдерский вестник. - 1999. - №2. - С. 21-23.

21. Звягильский Е.Л. Длительные сдвижения массива в окрестности погашенных стволов // Маркшейдерский вестник. - 1999. - №3. - С. 20-22.

22. Звягильский Е.Л. Изучение провалов над подземным хранилищем нефти // Работы ДонУГИ. - Донецк: ДонУГИ. - 1999. - №102. - С. 222-228.

23. Звягильский Е.Л., Щербаков В.А. Воздействие подземных вод на устойчивость подземных выработок // Перспективы развития горных технологий в начале третьего тысячелетия. - Алчевск: ДГМИ. - 1999. - С. 100-104.

24. Nazimko V.V., Zviagilsky E.L. A knowledge base system for ground control over abandoned mines // Proc. Int. Conf. Mine planning and Equipment selection 1999 & Mine environmental and economical issues 1999. - Dnepropetrovsk: MMUU. - 1999. - P. 777-782.

25. Звягильский Е.Л. Геомеханические основы предотвращения провалов земной поверхности при ликвидации шахт // Проблемы горного давления. - Донецк: ИНФО. - 1999. - №3. - С. 83-109.

26. Решение проблемы провалов земной поверхности при закрытии угольных шахт / Звягильский Е.Л., Пенг С.С., Шевченко Н.Ф., Назимко В.В. // Стратегия управления социально-экономическим развитием региона на период до 2110 года. -Донецк: ИЭПИ. - Т.1. - С. 42-46.

27. Розпірна перемичка для консервації вертикального стволу: Патент України 99063126 / Звягільський Ю.Л., Назимко В.В., Александров С.М.; Заявлено 08.06.99.

28. Спосіб консервації вертикального стволу: Патент України 99063127 / Звягільський Ю.Л., Назимко В.В., Александров С.М.; Заявлено 08.06.99.

29. Звягільський Ю.Л. Закономірності обвалення поверхні над виробками мілкого залягання // Проблеми гірського тиску. - Донецк: ІНФО. - 2000. - №4. - С. 103-107.

30. Звягильский Е.Л. Изучение процесса усадки засыпки вертикального ствола // Уголь Украины. - 2000. - №1, - С. 16-17.

31. Звягильский Е.Л. Расчет параметров провала устья вертикального ствола погашенной шахты // Геотехническая механика. - Днепропетровск: Полиграфист. - 2000. - №18. - С. 26-31.

32. Nazimko V.V., Peng S.S., Zviagilsky E.L. Prevention of time-dependent subsidence by elimination of ground movement over an abandoned mine. 18th International Conference on ground control in mining. - Morgantown: WVU. - 1999. -P. 336-350.

Особистий внесок автора в публікаціях, написаних в співавторстві, складається в наступному. У роботі [1] запропонував на основі аналізу ентропії, як функції порушеності масиву, використати штучну дезорієнтацію порідних блоків і штучне збільшення тріщинуватості для можливості збільшення довговічності порід, які ще не обвалилися. У роботах [5, 24] виділив і обгрунтував чинники, що визначають вибір технології запобігання провалу над покиненою шахтою, сформулював правила для застосування в теорії нечітких множин. Обгрунтував чинники для застосування в нейронній мережі і виконав аналіз вихідних даних на відповідність дійсним умовам застосування заходів. У роботах [7, 32] обгрунтував методи і початкові умови моделювання, зробив аналіз результатів і отримав основні висновки. У роботі [8] провів аналіз натурних спостережень і обгрунтував раціональні параметри комп'ютерних, а також об'ємних фізичних моделей. У роботі [9] обгрунтував застосування легких випробувальних установок для умов еквівалентного моделювання. У статті [10] обгрунтував повне виймання охоронного цілика для зменшення шкідливого впливу підробки поверхні. При розробці методу комп'ютерного моделювання дискретними елементами [11] обгрунтував необхідність введення ряду умов для можливості моделювання порідного масиву. У роботах [15, 26] обгрунтував застосування нових технологій погашення виробок в залежності від початкових гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов. Внаслідок аналізу інтегрованого моніторингу тривалих зрушень над шахтами [19], що добувають поташ, отримав висновок про необхідність управління станом міцних порід над покиненими шахтами для запобігання обвалень товщі. На підставі ретроспективного аналізу провалу в місці розташування шурфу і розгляду стану підготовчих виробок в роботі [23] визначив вирішальну роль води в стійкості гірських виробок. В патентах [27, 28] запропонував основні ідеї, а саме - параболічність перемички та вибіркове зміцнення стінок стволу перед його закриттям.

АНОТАЦІЯ

Звягільський Ю.Л. Геомеханічні основи запобігання обвалень земної поверхні над шахтами, що ліквідуються. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.15.11 “Фізичні процеси гірничого виробництва". Донецький державний технічний університет. - Донецьк, 2000.

За допомогою фізичного і комп'ютерного моделювання, а також натурних спостережень досліджено довготривале опускання поверхні навколо покинутих шахт. Встановлено, що шар меншої потужності обвалюється частіше, а короткочасне обвалення відбувається частіше довготривалого. Однак стійка кореляція між товщиною шару гірської породи і часом на його обвалення не зареєстрована. Руйнування поверхні навколо вертикального стволу відбувається в такій послідовності. Спочатку відбувається руйнування масиву гірських порід біля устя стволу з формуванням конічної воронки, яка може обвалитися. Засипка стволу осідає під дією дренажу води і ствол стає пустим. Частина стволу, що пустує, руйнується під дією гірського тиску. При цьому поверхня стволу обвалюється в його порожнину асиметрично, вибираючи слабкіші зони і локальні області. Коли підземні пустоти, що утворилися, зливаються і досягають воронки на поверхні, відбувається катастрофічне обвалення. Для прогнозу можливих розмірів воронки виведені спеціальні емпіричні формули. Вибір оптимальної технології запобігання усіданню поверхні над покиненою шахтою зроблений за допомогою методів нечіткої логіки і нейронної мережі. Для забезпечення довготривалої стійкості устя погашеного вертикального стволу розроблена нова технологія і нова параболічна перемичка. Запропоновані автором практичні рекомендації пройшли успішне випробування і впроваджені в промисловість.

Ключові слова: провал, земна поверхня, запобігання, ствол, покинена шахта.

ABSTRACT

Zviagilsky E.L. Geomechanical fundamentals for prevention of chimney subsidence over abandoned mines. - Manuscript.

Doctorate thesis (engineering) according specialty 05.15.11 “Physical processes in mining". Donetsk State Technical University. - Donetsk, 2000.

Long term behavior of rock mass over abandoned mines has been investigated by physical, computer modeling and by actual measurement in situ. The less thickness of а rock layer the more probability of its fall in elapsing time. Short period falls occur more frequently than long period ones. However there is no correlation between the thickness of а rock layer and the period of its caving. Deterioration of surrounding vertical shaft rock mass occurs by the next two ways. Rock mass durability deteriorates near а shaft mouth forming cone crater that may cave down. Filling of the shaft subsides due to underground water drainage and the shaft becomes empty. Emptied section of the shaft deteriorates under ground pressure effect. Shaft walls fall asymmetrically, selecting the weakest spots and local areas. When underground cavities collide together and meet the crater zone, catastrophic fall occurs. Formulae were found to predict possible dimensions of crater fall. Fuzzy neural network has been developed to select optimal technology for subsidence prevention over an abandoned mine. New technology of shaft conservation has been developed and new parabolic plug was designed to reinforce а shaft mouth. Recommendations were successfully tested and introduced in industry.

Key words: subsidence, shaft, abandoned mines, technology of chimney subsidence prevention.

АННОТАЦИЯ

Звягильский ЕЛ. Геомеханические основы предотвращения обрушений земной поверхности над ликвидируемыми шахтами. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.15.11 “Физические процессы горного производства”, Донецкий государственный технический университет. - Донецк, 2000.

Существующие технологии управления состоянием массива над заброшенными шахтами неэффективны и не обеспечивают безопасность сооружений и объектов на поверхности. Механизм длительных сдвижений над заброшенными шахтами и стволами почти не изучен. Это приводит к постоянной опасности при эксплуатации земной поверхности и высоким затратам на ликвидацию ее провалов, обуславливает особую актуальность изучения процесса долговременных сдвижений в окрестности погашенного или заброшенного вертикального ствола для решения проблемы предотвращения провалов земной поверхности при ликвидации шахт.

Цель работы состоит в предотвращении обрушения земной поверхности в окрестности погашаемых выработок угольных шахт. Идея работы заключается в управлении механизмом длительных сдвижений пород в окрестности погашаемых выработок избирательным воздействием на критические участки массива и крепи.

С помощью физического и компьютерного моделирования, а также натурными наблюдениями исследован процесс длительного сдвижения поверхности и горного массива над заброшенными шахтами. Установлено, что этот процесс развивается во времени и в пространстве неупорядоченными единичными обрушениями, в результате чего общая высота зоны обрушений скачкообразно возрастает через нерегулярные интервалы времени. Выявлено, что слои меньшей мощности обрушаются чаще, а обрушения через короткие интервалы времени происходят также чаще, чем через длительные. Однако статистически устойчивая зависимость между высотой каждого единичного обрушения и временем его реализации отсутствует (коэффициент корреляции не более 0,16), что свидетельствует о плохой предсказуемости существующими методами развития разрушений пород во времени. Длительные разрушения пород в окрестности заброшенного или погашенного вертикального ствола происходят в зоне наносов в виде накопления поврежденностей примыкающих к устью ствола пород с последующим стохастическим формированием несимметричного конуса обрушения. В глубинной части ствола, в окрестности ослабленных прослоек пород и в местах нарушения целостности крепи разрушения возникают избирательно и по мере развития длительных сдвижений полость обрушения перемещается вверх, в конечном итоге смыкаясь с конусом обрушения устья ствола, что приводит к катастрофическому провалу поверхности. Для определения возможных размеров провальной воронки предложены специальные эмпирические формулы. Скачкообразной просадке засыпки погашенного ствола способствует действие дренирующих вод, приводящее к интенсивному вымыванию мелких фракций, их перераспределению вниз засыпки. В результате давление засыпки не только на дно ствола, но и на перегородки или упорные пробки растет до величины, близкой к геостатической, создавая реальные предпосылки для прорыва засыпки в примыкающие подземные выработки. Выбор рациональной технологии предотвращения провалов поверхности выполнен с помощью нечеткой логики и нейронных сетей. Для обеспечения длительной устойчивости устья ствола разработана новая конструкция параболической перемычки.

Достоверность полученных выводов подтверждается: удовлетворительным совпадением качественных и количественных характеристик механизма длительных сдвижений, полученных независимыми методами исследований (на физических, компьютерных моделях и в натурных условиях); совпадением в пределах 30% расчетного и фактического времени провала устья ствола; корректным применением теории нечетких множеств и нейронных сетей для предсказания времени обрушения и выбора рациональной технологии его предотвращения.

В результате проведенных исследований разработаны новые способы управления состоянием массива над погашенными и заброшенными горными выработками, создана экспертная система выбора рациональных решений по управлению горным массивом над закрывающимися шахтами, обоснованы критерии устойчивости подлежащих консервации стволов и параметров способов управления состоянием массива в местах закрытия шахт.

Результаты разработок прошли промышленные испытания и внедрены при погашении вертикальных стволов в процессе закрытия шахт и шахтоуправлений им. Феликса Кона, Красная Звезда, Куйбышевское, Мушкетовская-Вертикальная и Южно-Донбасская №1. Рекомендации автора использованы институтом Донгипрошахт при составлении проектов погашения угольных шахт Мушкетовская-Вертикальная, Заперевальная №1, 60-летия Украины, ш/у Красная Звезда. Для условий Западной Вирджинии (США) разработаны рациональные параметры технологий предотвращения провалов земной поверхности над погашенными наклонными стволами и заброшенными шахтами мелкого заложения. Разработанное на основании результатов исследования временное руководство по погашению вертикальных стволов утверждено территориальным управлением Госнадзорохрантруда по Донецкой области в качестве нормативного документа для ведения работ по закрытию шахт государственной компанией “Укруглереструктуризация”.

Ключевые слова: провал, земная поверхность, предотвращение, ствол, заброшенная шахта.

Размещено на Allbest.ru