Прогноз вертикальних зрушень земної поверхні при збільшенні глибини розробки вугільних пластів

Размещено на http://www.allbest.ru

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

"ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ"

Рожко Марина Дмитрівна

УДК 622.834

Прогноз вертикальних зрушень земної поверхні

при збільшенні глибини розробки вугільних пластів

Спеціальність 05.15.01 - Маркшейдерія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському державному науково-дослідному і проектно-конструкторському інституті гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи (УкрНДМІ) Національної академії наук України (м. Донецьк).

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Кулібаба Сергій Борисович, провідний науковий співробітник відділу гірського тиску Українського державного науково-дослідного і проектно-конструкторського інституту гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи (УкрНДМІ) Національної академії наук України (м. Донецьк).

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Назаренко Валентин Олексійович, професор кафедри "Маркшейдерія" Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України (м. Дніпропетровськ);

доктор технічних наук, професор

Четверик Михайло Сергійович, завідувач відділу геомеханічних основ технології відкритої розробки родовищ Інституту геотехнічної механіки ім. М. С. Полякова Національної академії наук України (м. Дніпропетровськ).

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 11.052.05

доктор технічних наук, професор В. П. Кондрахін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з головних тенденцій в розвитку вугільної промисловості Донбасу є постійне збільшення глибини розробки пластів. Так, на цілому ряді шахт глибина відпрацьовування горизонтів або вже переступила кілометрову відмітку, або наближається до неї. В цих умовах все більша кількість будівель, споруд і природних об'єктів зазнає впливу гірничих робіт. Глибина розробки вугільних пластів є одним з основних параметрів, що визначають локалізацію і характер прояву процесу зрушення масиву гірських порід і земної поверхні над очисними виробками, і, зрештою - ступінь їхнього впливу на стан підроблюваних об'єктів.

Практика показує, що ідеологія, застосовувана в існуючих розрахункових методиках, не завжди відповідає сучасним умовам, оскільки ці методики спираються на експериментальний матеріал, одержаний десятки років тому, коли середня глибина розробки була істотно менша. Наприклад, використовуваний в даний час критерійний підхід до визначення границь мульди зрушення земної поверхні при великих глибинах розробки не дозволяє однозначно прогнозувати їх місцеположення. У цих умовах навіть максимальні фактичні деформації земної поверхні часто порівняні за величиною з прийнятими граничними критеріями, тому точне визначення місця розташування границь мульди зрушення стає все більш проблематичним, що, у свою чергу, призводить до зниження достовірності прогнозу практично всіх параметрів процесу зрушення. Крім того, збільшення глибини розробки вугільних пластів нерідко спричиняє зміну співвідношення потужностей раніше не підроблених і підроблених старими очисними виробками ділянок масиву гірських порід. Експериментальні дані показують, що така зміна впливає на величину максимального осідання земної поверхні, а отже, й інших видів її зрушень і деформацій.

Знання закономірностей подібних процесів, які виявляються в сучасних умовах розробки вугільних родовищ, дозволить ухвалювати більш обґрунтовані рішення щодо допустимості підробки тих або інших об'єктів без застосування додаткових заходів захисту або значною мірою скоротити витрати на їх реалізацію. земний поверхня осідання глибина зрушення

Все це свідчить про необхідність регулярної перевірки відповідності розрахункових методів умовам підземного видобутку вугілля, що змінюються, і їх корегування у разі потреби. Тому встановлення нових закономірностей процесу зрушення земної поверхні в умовах збільшення глибини розробки вугільних пластів є актуальним науково-практичним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертація є підсумком цілеспрямованих досліджень автора, проведених в Українському державному науково-дослідному і проектно-конструкторському інституті гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи (УкрНДМІ) Національної академії наук України, в рамках НДР НАНУ за темами № 1 КП/07 "Комплексні дослідження процесів масопереносу і формування полів напружень і деформацій при розробці родовищ корисних копалин для створення способів і засобів активного керування станом масиву з метою підвищення економічної ефективності, екологічної і аварійної безпеки ведення гірничих робіт" (№ ДР 0107U004187); № 8/06 "Еволюція геологічного середовища в умовах зміненої екосистеми промислової агломерації" (№ ДР 0105U007890); № 6/03 "Дослідження напружено-здеформованого стану масивів гірських порід при відпрацьовуванні пластових родовищ корисних копалин" (№ ДР 0102U007320); № 14/08 "Дослідження стійкості структурно-неоднорідних масивів гірських порід" (№ ДР 0107U010339).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є встановлення нових закономірностей зрушення земної поверхні при збільшенні глибини розробки вугільних пластів у Донбасі й вдосконалення на цій основі прогнозних методів.

Для досягнення поставленої мети в дисертації сформульовані і вирішені такі основні завдання:

- встановити закономірності зміни величини і місцеположення максимального осідання земної поверхні при збільшенні глибини розробки;

- встановити характер розподілу вертикальних зрушень і деформацій земної поверхні в головних перетинах мульди зрушення;

- визначити часові параметри розвитку процесу зрушення земної поверхні як над рухомим, так і над зупиненим очисним вибоєм;

- розробити рекомендації щодо вдосконалення методики прогнозу вертикальних зрушень і деформацій земної поверхні на основі отриманих нових наукових результатів.

Об'єкт дослідження - процес зрушення земної поверхні над очисними виробками вугільних шахт.

Предмет дослідження - закономірності розвитку вертикальних зрушень підроблюваної земної поверхні.

Методи досліджень. Поставлена в роботі мета досягнута шляхом застосування комплексного методу досліджень, який включає аналіз літературних даних, проведення й аналіз експериментальних досліджень за зрушенням земної поверхні, систематизацію й аналіз архівних даних, узагальнення отриманих результатів і встановлення кількісних і якісних закономірностей методами математичної статистики. Експериментальні дослідження, результати яких використані в даній роботі, складалися з маркшейдерських інструментальних спостережень за процесом зрушення земної поверхні на натурних спостережних станціях.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. При збільшенні глибини розробки змінюється величина відносного максимального осідання земної поверхні. Ця зміна описується комплексним параметром, що враховує геометричні розміри виробленого простору в даному пласті і потужність непідробленої міжпластовини з іншими пластами, в яких є раніше пройдені очисні виробки. Зі збільшенням цієї потужності від 0 до 1000 м значення параметра зменшується від 1,14 до 0,16 при довжині лави 200 м.

2. Період затухання процесу зрушення земної поверхні над зупиненим очисним вибоєм описується двопараметричною залежністю від середньої глибини розробки і відносної координати розрахункової точки в напівмульді зрушення. При збільшенні середньої глибини розробки від 300 м до 1000 м максимальна тривалість цього періоду змінюється від одного місяця до року після зупинки очисного вибою.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечуються:

? використанням фундаментальних положень теорії зрушення гірських порід і земної поверхні, механіки гірських порід і математичної статистики;

? показністю експериментальних даних, отриманих на 57 натурних спостережних станціях (понад 600 експериментальних точок) за періоди до 7 років;

? задовільною збіжністю прогнозних зрушень земної поверхні з експериментальними даними, отриманими на спостережних станціях.

Практичне значення отриманих результатів полягає в обґрунтуванні методів прогнозу вертикальних зрушень земної поверхні в умовах збільшення глибини розробки й удосконаленні на цій основі існуючої методики їх розрахунку.

Особистий внесок здобувача: постановка і формулювання мети і завдань досліджень; збір, вивчення й аналіз архівних матеріалів; безпосередня участь в організації і проведенні натурних експериментів по підробленню земної поверхні на великих глибинах, а також в обробленні, аналізі й узагальненні їх результатів; формулювання наукових положень дисертації.

Апробація роботи. Основні положення і результати дисертації доповідалися і дістали схвалення на засіданні наукового семінару відділів УкрНДМІ НАНУ: охорони надр і зрушення земної поверхні, гірського тиску, захисту будівель і споруд в складних гірничо-геологічних умовах, маркшейдерських і геодезичних досліджень, комп'ютерних технологій; секції "Геомеханіка" вченої ради УкрНДМІ НАНУ; на Міжнародному науковому симпозіумі "Неделя горняка - 2007" (Москва, 2007 р.); на XIII Конгресі Міжнародного суспільства з маркшейдерської справи (Будапешт, 2007 р.); на ХVIII, ХIХ і ХХ конференціях міжнародної наукової школи ім. академіка С. О. Христіановича "Деформування і руйнування матеріалів з дефектами і динамічні явища в гірських породах і виробках" (Крим, Алушта, 2008-2010 рр.); на Міжнародній науково-технічній конференції "Геоінформаційні технології в землевпорядкуванні, геодезії і гірничій справі" (Донецьк, 2-3 жовтня 2008 р.), на ІІ Міжнародній науково-технічній конференції "Гірнича геологія, геомеханіка і маркшейдерія" (Донецьк, 2009 р.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи відображені в 13 наукових працях, зокрема: 9 статтях, опублікованих в спеціалізованих виданнях, і 4 статтях, опублікованих в збірниках наукових конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 5 розділів і висновку, списку використаних джерел із 129 найменувань на 15 сторінках і 2 додатків на 8 сторінках. Містить 157 сторінок машинописного тексту, 63 рисунки і 15 таблиць. Загальний обсяг становить 196 сторінок.

Основний зміст роботи

Перший розділ "Аналіз стану вивченості питання, мета, завдання і методи досліджень" присвячений аналізу розвитку уявлень про процес зрушення земної поверхні і фактори, що впливають на його параметри, а також огляду існуючих прогнозних методів з 30-х років минулого століття по теперішній час.

Розглянуті методи прогнозу зрушення земної поверхні, застосовані у вітчизняних нормативно-методичних документах різних періодів. Показано, що на протязі довгого часу ними регламентувалися лише правила визначення району впливу гірничих розробок на земну поверхню і порядок встановлення тривалості процесу зрушення, що було загальним недоліком цих документів в методичному плані. І лише в правилах охорони 1972 р. вперше була дана конкретна методика розрахунку величин зрушень і деформацій земної поверхні, а також їх розподілу в мульді зрушення.

У галузевому стандарті України, розробленому в УКРНДМІ НАНУ в 2003 р., була змінена концепція захисту підроблюваних об'єктів - головним критерієм, що визначає можливість підробки того або іншого об'єкта, стало порівняння очікуваних (розрахункових) деформацій земної поверхні з допустимими їх значеннями для цього об'єкта. Такий підхід вимагав від методики прогнозу зрушень і деформацій земної поверхні забезпечення достатньо високого ступеня відповідності розрахункових величин фактичним. Проте, незважаючи на цілу низку переваг, в методичній частині цього документа збереглися старі, діючі десятки років, принципи розрахунку, хоча за цей час умови експлуатації вугільних родовищ стали іншими, зокрема, істотно збільшилися глибини їх розробки.

Дослідженням зрушення гірських порід і земної поверхні в різні роки займалися такі вчені, як С. Г. Авершин, М. В. Коротков, Д. А. Казаковський, Г. М. Кузнецов, П. Ф. Гертнер, О. Л. Кульбах, А. М. Медянцев, С. П. Колбенков, О. Г. Акімов, В. Н. Земісєв, Г. Л. Фісенко, І. О. Петухов, М. А. Іофіс, Ю. М. Гавриленко, С. Б. Кулібаба, М. С. Четверик, В. О. Назаренко, В. С. Піховкін і ін. Проведений аналіз моделей зрушення гірських порід і земної поверхні, використовуваних різними дослідниками для опису виникаючих в породній товщі процесів, дозволив зробити висновок, що в них не завжди коректно враховувався вплив зміни глибини розробки вугільних пластів на просторові та часові параметри зрушення земної поверхні.

Огляд і аналіз використовуваних нині прогнозних методів дозволив зробити такі основні висновки.

1. Методи прогнозу зрушень і деформацій земної поверхні, застосовувані в різні періоди відпрацьовування вугільних пластів в Донбасі, ефективні лише в тих умовах, для яких вони розроблялися. При будь-якій більш менш істотній зміні цих умов розрахункові методи повинні перевірятися на відповідність їх фактичним даним з метою можливого корегування.

2. Глибина розробки вугільних пластів є одним з головних факторів, що впливають на параметри процесу зрушення гірських порід і земної поверхні. Цей фактор враховувався у всіх методах розрахунку, проте уявлення про форму і міру його впливу постійно змінювалося у зв'язку зі змінами умов відпрацювання вугільних пластів.

3. Застосовувані в даний час методи розрахунку зрушення земної поверхні, регламентовані галузевими нормативними документами, мають такі основні недоліки, що виявляються в сучасних умовах розробки вугільних пластів у Донбасі: некоректне урахування впливу раніше пройдених в інших пластах очисних виробок на величину відносного максимального осідання; використання граничних точок мульди зрушення як опорних для прогнозу її локалізації і параметрів; відсутність чітких і однозначних методів визначення часових рамок протікання процесу зрушення земної поверхні і розділення його стадій, а також відсутність методики прогнозу затухання процесу зрушення земної поверхні після зупинки очисного вибою.

Виходячи з викладеного визначено мету і завдання дослідження.

У другому розділі "Дослідження максимального осідання земної поверхні" наведені результати дослідження величини і місцеположення максимального осідання земної поверхні - найважливішого параметра, що є одним з головних опорних елементів, використовуваних при прогнозі зрушення. На основі аналізу результатів експериментів розроблено геомеханічну схему, що відображає особливості процесу зрушення масиву гірських порід над очисними виробками при великих глибинах розробки (рис. 1).

Рис. 1. Геомеханічна схема зрушення масиву гірських порід: 1 - зона повних зрушень; 2 - зони опорного тиску; 3 - зона зависання; 4 - крайові зони мульди зрушення.

Зокрема, в цих умовах спостерігається збільшення потужності раніше не підробленої товщі гірських порід (яруси 1, 2, 3) відносно ділянки масиву, підробленої старими очисними виробками (яруси 4, 5). Характер протікання процесу зрушення в цих двох ділянках масиву різний - породи непідробленого масиву чинять більший опір вигинаючим навантаженням, ніж раніше підроблені. Встановлено, що при збільшенні потужності непідробленої міжпластовини M у порівнянні з висотою зони повних зрушень 1, яка визначається розміром виробленого простору D (див. рис. 1), величина відносного максимального осідання земної поверхні зменшується. Аналіз 11 випадків підробки земної поверхні дозволив встановити залежність відносного максимального осідання земної поверхні від комплексного параметра k_н.м., що відображає вплив зміни фізико-механічних властивостей підроблюваного породного масиву за рахунок ранніх підробок, і враховує геометричне співвідношення потужності непідробленої міжпластовини і розмірів виробленого простору:

. (1)

Встановлено фактори, що впливають на величину кута , який визначає місцеположення точки максимального осідання на земній поверхні: кут падіння пласта, глибина його розробки, потужність наносів, міцнісні властивості підроблюваного масиву й умови його попередньої підробки. В результаті статистичного оброблення експериментальних даних по 56 профільних лініях 47 спостережних станцій в різних гірничо-геологічних умовах Донбасу визначена залежність лінійної координати точки максимального осідання на земній поверхні в головних перетинах мульди зрушення від зазначених факторів. Її аналіз дозволив констатувати, що вплив міцнісних властивостей масиву на локалізацію точки максимального осідання в умовах Донбасу незначний, і ним можна знехтувати.

Третій розділ "Розподіл вертикальних зрушень і деформацій земної поверхні в головних перетинах мульди зрушення" присвячений дослідженню розподілу вертикальних зрушень і деформацій земної поверхні в головних перетинах мульди зрушення. Як альтернатива граничним точкам в якості опорних елементів для розрахунку розподілу зрушень в мульді нами використані точки максимальних нахилів, визначення яких на земній поверхні навіть в умовах великих глибин розробки не так складно. Аналіз відомої залежності, запропонованої в 1979 р. Іофісом М. А. і Черняєвим В. І. для розрахунку місцеположення цих точок в мульді зрушення, дозволив установити, що при збільшенні глибини розробки її прогнозні значення все більше розходяться з фактичними даними внаслідок відсутності урахування деяких впливаючих факторів. Зокрема, методом дослідження залишків установлено, що нарівні з кутом падіння пласта і ступенем підробленості земної поверхні на локалізацію точок її максимальних нахилів впливають глибина залягання даної (нижньої або верхньої) границі очисної виробки H_н(в), висота зони повних зрушень H_н(в)0 над даною границею, ступінь метаморфізму порід підроблюваного масиву і потужність наносів h. Також установлено, що зі збільшенням глибини розробки зміна положення точки максимального нахилу земної поверхні відносно даної границі очисної виробки носить нелінійний характер.

З метою визначення локалізації в мульді зрушення максимальних нахилів нами проаналізовані експериментальні дані по 34 профільних лініях реперів, обладнаних як на земній поверхні, так і в гірничих виробках, де в 37 випадках підробки було зафіксовано 59 точок з максимальними величинами нахилів. Регресійний аналіз дозволив установити нову залежність місцеположення точки максимального нахилу земної поверхні відносно даної границі очисної виробки від спільного впливу комплексу факторів, яка враховує нелінійний характер зміни положення цієї точки з глибиною:

, (2)

де l₁₍₂₎ - лінійний параметр (м), що показує віддаленість точки максимального нахилу земної поверхні від даної границі очисної виробки (l₁ - за падінням, l₂ - за підйомом пласта); b₁ - b₆ - емпіричні коефіцієнти (табл. 1).

Таблиця 1

Емпіричні коефіцієнти залежності (2)

Найменування	Значення	Примітка
b1	1,7	Для умов залягання кам'яного вугілля
	2,0	Для умов залягання антрацитів
b2	-19,7 м	-
b3	0,52	У напівмульді за падінням пласта
	-0,45	У напівмульді за підйомом пласта
b4	-0,014	-
b5	3,5 м	-
b6	1,37	Для умов залягання кам'яного вугілля
	1,50	Для умов залягання антрацитів

Оцінка точності отриманої залежності показала, що стандартне відхилення розрахованих за нею лінійних величин, що визначають локалізацію точки максимального нахилу в мульді зрушення, становить 15,8 м.

Порівняння прогнозного положення точок максимальних нахилів з фактичним показало задовільну збіжність. Так, на рис. 2 показані графіки розрахункового положення цих точок (суцільна крива) і фактичного (пунктирна крива), встановленого експериментально на комплексній спостережній станції, з порівняння яких видно, що максимальне відхилення між ними не перевищує 7 м.



Рис. 2. Порівняння розра-хункового (суцільна крива) і фактичного (пунктирна крива) положення точок максимальних нахилів на комплексній спостережній станції в умовах шахти "Червона Зірка" ("Торезантрацит").

Встановлено, що базова відстань, вимірювана між точками земної поверхні з максимальними осіданням і нахилом, може бути використана як універсальний опорний параметр для визначення розмірів і форми напівмульди зрушення. Аналіз експериментальних даних по 15 профільних лініях спостережних станцій, закладених в різних гірничо-геологічних умовах Донбасу (всього 251 експериментальна точка), дозволив встановити, що розподіл нормованих осідань _н в напівмульді зрушення оптимально описується експонентою, аргументом якої є відносна лінійна координата, що показує віддаленість розрахункової точки від точки максимального осідання в частках від базової відстані (рис. 3).



Рис. 3. Розподіл нормованих осідань у напівмульді зрушення:

_н = _i/_m,

де _i - осідання i-ї точки, мм;

_m - максимальне осідання, мм

У четвертому розділі "Дослідження характеру розвитку процесу зрушення земної поверхні в часі" наведені результати дослідження часових параметрів процесу зрушення земної поверхні, яке проводилося в двох напрямах - досліджувалися закономірності розвитку інтенсивної стадії процесу зрушення над рухомим очисним вибоєм і період затухання зрушення після зупинки лави.

Для вирішення першої частини цього завдання нами був використаний підхід, запропонований проф. Гавриленком Ю.М. (ДонНТУ), за яким стадії процесу зрушення розділяють за допомогою характерних точок математичної функції, що описує розвиток осідання земної поверхні в часі. На основі результатів частотних інструментальних спостережень, проведених на шахті "Жданівска" при підробці 11-ою східною лавою пласта k₃ шахти № 22 "Комунарська" ВАТ "Шахтоуправління "Донбас" (Донецька область), нами було встановлено, що характер осідань земної поверхні на всіх етапах процесу зрушення - від початку до затухання - адекватно описується функцією гіперболічного тангенса:

, (3)

де t - координата часу, рівна різниці дат між теперішнім моментом і моментом початку процесу зрушення; k₀ - k₃ - емпіричні коефіцієнти.

На рис. 4 над віссю абсцис показаний графік цієї функції, що описує розвиток нормованих максимальних осідань _н профільної лінії реперів у часі t (білі точки). На графіку показані точки 1-3, відповідні екстремумам перших двох похідних апроксимуючої функції - максимальної швидкості осідання (точка 2) і максимальним прискоренню (1) й уповільненню осідання (3). У нижній частині рис. 4 пунктиром показаний графік приросту фактичних максимальних відносних горизонтальних стисків земної поверхні _сж. Аналізуючи процес зрушення у межах ділянки графіка між точками 1 і 3, можна виділити такі особливості:

1) максимальна швидкість осідань земної поверхні на цьому часовому інтервалі (точка 2) перевищила максимальні швидкості на сусідніх інтервалах в 1,7 раза, а середня швидкість - відповідно в 3,6 раза;

2) у цей період відбулися максимальні прирости деформації земної поверхні.

Зазначені особливості даного часового інтервалу дозволили розглядати його й аналізувати як окремий період, що має характерні властивості і чітко визначені моменти свого початку і закінчення (характеристичні точки 1 і 3 на графіку), позначивши його терміном "інтенсивна стадія процесу зрушення". Саме в цей період відбуваються основні порушення підроблюваних об'єктів, тому його часові характеристики являють найбільший інтерес.

Раніше вважалося, що інтенсивна стадія процесу зрушення будь-якої точки ділянки підроблюваної земної поверхні настає в момент T₀ перетинання очисним вибоєм вертикальної проекції даної точки на пласт.

Рис. 4. Схема підробки точки A земної поверхні й графіки розвитку максимальних осідань і приросту відносних горизонтальних стисків земної поверхні в часі: T₁, T₂, T₃ - дати досягнення процесом зрушення моментів, відповідних характеристичним точкам 1, 2 і 3; l₀₁ - відстань, пройдена лавою за період T₁ - T₀

Для перевірки цього твердження нами проаналізовано п'ять спостережних станцій (всього 36 експериментальних точок), де були зафіксовані моменти початку інтенсивної стадії зрушення (характеристична точка 1). В результаті аналізу було встановлено, що кут ₁ (див. рис. 4), який визначає місцеположення очисного вибою в момент T₁ досягнення процесом зрушення своєї інтенсивної стадії, залежить від глибини розробки пласта H, м, швидкості посування очисного вибою c, м/місяць, і міцнісних властивостей порід підроблюваного масиву, що характеризуються показником міцності F (середньозважена за потужністю міцність підроблюваних порід за шкалою Протод'яконова):

. (4)

Аналіз експериментального матеріалу по 8 шахтах Донбасу дозволив встановити залежність, що найбільш точно описує взаємозв'язок між тривалістю інтенсивної стадії процесу зрушення t_ин (період між моментами T₁ і T₃), і основними впливаючими факторами - глибиною розробки і швидкістю посування очисного вибою:

, місяць. (5)

Коефіцієнт детермінації R² даної залежності перевищує 0,9; стандартне відхилення різниць фактичної і розрахованої за допомогою формули (5) тривалості інтенсивної стадії процесу зрушення становить 0,4 місяця.

При підробці різних об'єктів часто виникає необхідність в прогнозуванні тривалості процесу зрушення після зупинки очисного вибою. Це актуально для тих об'єктів, які при цьому опиняються не в плоскому дні мульди, а в напівмульді зрушення, тобто в інтервалі між точками земної поверхні A і B (рис. 5). Порівняння динамічних граничних кутів і кутів повних зрушень (₀^д, ₃^д) із статичними (₀, ₃,)

дозволило укласти, що період затухання процесу зрушення після зупинки очисного вибою відповідає періоду трансформації мульди зрушення з динамічної форми в статичну.



Рис. 5. Схема до визначення тривалості процесу зрушення земної поверхні після зупинки очисного вибою

Аналіз експериментальних даних показав, що основними факторами, що впливають на тривалість цього періоду, є середня глибина розробки пласта H, м, і відносна координата місцеположення розрахункової точки в напівмульді зрушення z_C = AC/AB (див. рис. 5). Статистичний аналіз показав, що сукупність експериментальних даних, отриманих на трьох шахтах Донбасу при різних глибинах розробки, в межах значень 0,3 z 0,8 і 280 м H 1000 м найточніше описується залежністю:

, (6)

де t₀ - період затухання зрушення земної поверхні після зупинки очисного вибою, місяць.

У п'ятому розділі "Вдосконалення методики прогнозу вертикальних зрушень і деформацій земної поверхні" наведені основні положення пропонованої нової вдосконаленої методики прогнозу вертикальних зрушень і деформацій земної поверхні і проведена оцінка її точності. На рис. 6 показані графіки фактичних і розрахованих за даною методикою осідань земної поверхні на ряді шахт Донбасу.

Рис. 6. Порівняння графіків осідань земної поверхні на шахтах:

а - "Ново-Мушкетівська" (H = 215 м);

б - "Артем" (H=475 м); в - "Ново-Центральна"

(H = 720 м);

г - ім. газети "Луганська Правда"

(H = 1043 м);

д - "Шахтарська-Глибока" (H = 1190 м)

Середнє значення відносних відхилень прогнозних осідань від фактичних, розраховане по 11 спостережних станціях (усього 323 репери), склало 12,3 %.

Для порівняння на цих же графіках пунктиром показані криві осідань, розраховані за діючою методикою. Із зіставлення видно, що при малих глибинах розробки криві розрахункових осідань за обома методиками мало відрізняються одна від одної, тоді як зі збільшенням глибини розробки значення прогнозованих за пропонованою методикою осідань ближче до фактичних даних, ніж розраховані за існуючою.

На рис. 7 порівняні основні етапи прогнозування вертикальних зрушень земної поверхні за двома методиками - діючою й пропонованою.

Рис. 7. Порівняльна схема основних етапів прогнозування вертикальних зрушень земної поверхні за двома методиками

висновки

У дисертаційній роботі дане нове вирішення актуального наукового і практичного завдання, яке полягає у встановленні нових закономірностей зміни основних параметрів процесу зрушення земної поверхні при збільшенні глибини розробки вугільних пластів, що описують розподіл вертикальних зрушень у просторі й часі, з метою вдосконалення прогнозних методів.

Основні наукові і практичні результати дисертаційної роботи:

1. Вперше встановлено, що величина відносного максимального осідання земної поверхні залежить від співвідношення потужності раніше не підробленої міжпластовини і висоти зони повних зрушень масиву, яка визначається геометричними розмірами виробленого простору. Значення параметра, що описує цю залежність, для 200-метрової лави зменшується від 1,14 до 0,16 при збільшенні потужності непідробленої міжпластовини від 0 до 1000 м.

2. Встановлено, що існуюча методика розрахунку забезпечує адекватний прогноз величини максимального осідання земної поверхні в умовах, за яких відношення потужності раніше не підробленої міжпластовини до меншого з двох розмірів виробленого простору розроблюваного пласта, вимірюваних в головних перетинах мульди зрушення, не перевищує 1,6.

3. При збільшенні глибини підземної розробки пластових родовищ вугілля виникають труднощі з визначенням граничних точок мульди зрушення земної поверхні, що є опорними при розрахунках її зрушень і деформацій у вживаних методах прогнозу. У цих умовах перспективнішим є метод визначення розмірів і місцеположення мульди зрушення з використанням точок максимальних нахилів. У запропонованому раніше способі визначення місцеположення точок максимальних нахилів не враховується ряд впливаючих факторів, унаслідок чого точність прогнозу знижується із збільшенням глибини розробки.

4. Експериментально встановлено нелінійний характер змінення з глибиною положення точки максимального нахилу земної поверхні відносно межі очисної виробки. В результаті аналізу експериментальних даних встановлена нова залежність місцеположення точки максимального нахилу на земній поверхні від спільного впливу комплексу факторів, що включає глибину розробки, геометричні параметри очисної виробки, потужність наносів і ступінь метаморфізму підроблюваного породного масиву.

5. Вперше встановлено закономірність розподілу нормованих осідань земної поверхні в напівмульді зрушення, яка описується експоненціальною функцією від базової відстані між точками максимальних осідання і нахилу.

6. На основі аналізу експериментальних даних встановлено, що процес розвитку в часі зрушення земної поверхні над рухомим очисним вибоєм адекватно описується функцією гіперболічного тангенса. При цьому початок інтенсивної стадії зрушення збігається з моментом максимального прискорення осідання даної точки. Тривалість цієї стадії становить приблизно 30 % від всієї тривалості процесу зрушення; після її закінчення сумарне осідання підроблюваної точки становить 80 % свого максимального значення. Саме в цей період спостерігаються максимальні швидкості зрушення і приросту деформацій земної поверхні.

7. Встановлено залежність моменту початку інтенсивної стадії процесу зрушення над рухомим очисним вибоєм від середньої глибини підробки, середньої швидкості посування очисного вибою і міцнісних властивостей підроблюваного породного масиву. Так, при відпрацюванні пласта на глибині 1000 м лавою з місячним посуванням 60 м і середньозваженим за потужностістю коефіцієнтом міцності масиву за шкалою Протодьяконова, рівним 8, інтенсивна стадія процесу зрушення починається через 0,6 місяця після моменту проходу очисним вибоєм під даною точкою земної поверхні

8. Встановлено залежність тривалості інтенсивної стадії процесу зрушення від середньої глибини підробки і середньої швидкості посування очисного вибою. При швидкості посування очисного вибою 60 м на місяць зміна глибини розробки з 500 м до 1000 м спричинить збільшення тривалості інтенсивної стадії процесу зрушення в 1,75 разу.

9. Встановлено, що період затухання процесу зрушення земної поверхні над зупиненим очисним вибоєм залежить від середньої глибини розробки і місцеположення розрахункової точки в напівмульді зрушення. При збільшенні середньої глибини розробки від 300 м до 1000 м максимальна тривалість цього періоду змінюється від одного місяця до року після зупинки очисного вибою залежно від положення даної точки земної поверхні в напівмульді зрушення.

10. На основі встановлених закономірностей отримані нові формули для прогнозу вертикальних зрушень і деформацій земної поверхні в умовах збільшення глибини розробки вугільних пластів в Донбасі, що дозволило вдосконалити існуючу методику розрахунку. Встановлено, що зі збільшенням глибини розробки пропонована методика дає точніший прогноз, ніж існуючий, тоді як при малих глибинах (менше 500-600 м) точність прогнозу за обома методиками приблизно однакова.

11. Результати проведених досліджень упроваджені у ВАТ "Шахтоуправління "Донбас" при підробці 11-ою східною лавою пласта k₃ похилих стволів, будівель і споруд проммайданчику шахти "Жданівська".

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В ТАКИХ РОБОТАХ:

1. Рожко М. Д. Прогноз оседаний земной поверхности при разработке угольных пластов на больших глубинах / Кулибаба С. Б., Рожко М. Д. // Уголь Украины. - 2007. - № 12. - С. 10-12.

2. Рожко М. Д. Характер развития процесса сдвижения земной поверхности после остановки очистного забоя / Кулибаба С. Б., Рожко М. Д. // Проблеми гірського тиску. - Донецьк: ДонНТУ, 2007. - № 15. - С. 120-128.

3. Рожко М. Д. Розподіл осідань земної поверхні у мульді зрушення /Кулібаба С. Б., Рожко М. Д. // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. - Донецьк, 2008. - № 3. - С. 141-152.

4. Рожко М. Д. Определение точек максимальных наклонов в мульде сдвижения / Кулибаба С. Б., Рожко М. Д., Хохлов Б. В. // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: гірничо-геологічна. - Донецьк, 2009. - № 9 (143). - С. 158-167.

5. Рожко М. Д. Расчет оседаний земной поверхности с использованием точек максимальных наклонов / Рожко М. Д. // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія "Гірничо-геологічна". - Донецьк, 2010. - № 11 (161). - С. 18-24.

6. Рожко М. Д. Розташування точки максимальних осідань на земній поверхні / Кулібаба С. Б., Рожко М. Д. // Наукові праці УкрНДМІ НАН України.- Донецьк, 2009.- № 4.- С. 94-102.

7. Рожко М. Д. Прогноз вертикальных сдвижений и деформаций земной поверхности при больших глубинах разработки // Кулибаба С. Б., Рожко М. Д. // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. - Донецьк, 2009. - № 5 (частина I). - С. 76-83.

8. Рожко М. Д. Экспериментальные исследования сдвижения земной поверхности при больших глубинах разработки угольных пластов / Рожко М. Д. // Наукові праці УкрНДМІ НАН України .- Донецьк, 2010. - № 6. - С. 50-56.

9. Рожко М. Д. Характер развития процесса сдвижения земной поверхности во времени над движущимся очистным забоем // Кулибаба С. Б., Рожко М. Д., Хохлов Б. В. // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. - Донецьк, 2010. - № 7. - С. 40-54.

10. Rozhko M. Prediction of maximum surface subsidence in exploitation of coal seams in the Donets Basin / S. Kulibaba , M. Rozhko // Proceedings of the International Society for Mine Surveying, XIII International Congress (ISM). - Budapest, Hungary: Budapest University of Technology and Economics. - 24 - 28 September 2007. - Рaper 018.

11. Рожко М. Д. Прогноз локализации максимальных наклонов земной поверхности при подработке /Рожко М. Д.// Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках: Матер. XVIII Межд. науч. школы. - Симферополь: Таврич. нац. ун-т, 2008. - С. 285-287.

12. Рожко М. Д. Положение точки максимальных оседаний на земной поверхности / Кулибаба С. Б., Рожко М. Д.// Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках: Матер. XIX Межд. науч. школы. - Симферополь: Таврич. нац. ун-т, 2009. - С. 170-172.

13. Рожко М. Д. Особенности сдвижения земной поверхности при больших глубинах разработки пластов / Кулибаба С.Б., Рожко М.Д // Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках: Матер. XX Межд. науч. школы. - Симферополь: Таврич. нац. ун-т, 2010. - С.193-195.

У публікаціях, які написані в співавторстві, здобувачці наукового ступеня кандидата технічних наук належить таке:

? організація і проведення натурних досліджень, оброблення, аналіз і узагальнення експериментальних даних, визначення впливаючих факторів [1, 3, 6, 10, 13];

? постановка завдання, загальний аналіз і наукова інтерпретація результатів дослідження часових параметрів процесу зрушення, розроблення висновків [2, 9];

? ідея, постановка завдання, розроблення методики, встановлення параметрів локалізації максимальних зрушень і деформацій на земній поверхні [4, 6, 7, 12].

АНОТАЦІЇ

Рожко М. Д. Прогноз вертикальних зрушень земної поверхні при збільшенні глибини розробки вугільних пластів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.01 - Маркшейдерія - ДВНЗ "Донецький національний технічний університет", Донецьк, 2011.

У дисертаційній роботі дано нове рішення актуального наукового і практичного завдання, яке полягає у встановленні нових закономірностей зміни основних параметрів процесу зрушення земної поверхні при збільшенні глибини розробки вугільних пластів, що описують розподіл вертикальних зрушень в просторі і в часі, з метою вдосконалення прогнозних методів.

Показано, що при зміні умов розробки вугільних пластів діючі методи прогнозу зрушення земної поверхні потребують корегування. Досліджено характер зміни відносного максимального осідання зі збільшенням відношення потужності раніше не підробленої міжпластовини до розмірів очисної виробки. На основі аналізу результатів інструментальних спостережень на шахтах Донбасу отримані нові залежності локалізації точок максимального осідання і нахилів земної поверхні від основних геологічних і гірничотехнічних факторів і встановлена нова закономірність розподілу осідань в напівмульді зрушення. Досліджено характер протікання процесу зрушення земної поверхні в часі, і встановлено нові залежності, що описують часові параметри цього процесу як над рухомим, так і над зупиненим очисним вибоєм. Розроблено пропозиції щодо вдосконалення існуючої методики прогнозу зрушення земної поверхні.

Ключові слова: підробка земної поверхні, вертикальні зрушення і деформації, збільшення глибини розробки, вдосконалення розрахункових методів.

Рожко М. Д. Прогноз вертикальных сдвижений земной поверхности при увеличении глубины разработки угольных пластов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.01 - Маркшейдерия - ГВУЗ "Донецкий национальный технический университет", Донецк, 2011.

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной и практической задачи, которая заключается в установлении новых закономерностей изменения основных параметров процесса сдвижения земной поверхности при увеличении глубины разработки угольных пластов, описывающих распределение вертикальных сдвижений в пространстве и во времени, с целью совершенствования прогнозных методов.

В диссертации исследовано состояние изученности вопросов сдвижения земной поверхности при подземной отработке угольных пластов. Показано, что в изменяющихся условиях разработки месторождений полезных ископаемых действующие методы прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности часто нуждаются в корректировке. По результатам их анализа установлены основные параметры процесса сдвижения, прогноз которых должен осуществляться с учетом ряда особенностей, проявляющихся в условиях увеличивающейся глубины разработки.

Научные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы базируются на анализе экспериментальных данных, полученных по 57 натурным наблюдательным станциям (более 600 экспериментальных точек) за периоды до 7 лет.

Разработана геомеханическая схема сдвижения подрабатываемого массива горных пород, учитывающая изменение соотношения мощностей ранее не подработанных и подработанных старыми очистными выработками участков массива горных пород. Исследован характер изменения величины относительного максимально оседания земной поверхности с увеличением отношения мощности ранее не подработанного междупластья к размерам очистной выработки.

На основе анализа результатов натурных инструментальных наблюдений на шахтах Донбасса установлены новые зависимости локализации точек максимального оседания и наклонов земной поверхности от основных геологических и горнотехнических факторов - глубины подработки, угла падения пластов, мощности наносов, размеров очистной выработки, физико-механических свойств подрабатываемого массива.

Исследована закономерность распределения вертикальных сдвижений земной поверхности в мульде сдвижения. Показаны недостатки применяемой в настоящее время методики их расчета, в которой в качестве основных опорных элементов используются граничные точки мульды, определяемые на земной поверхности с помощью критериальных значений величин наклонов и относительных горизонтальных деформаций, равных 0,510^-3. Установлена закономерность распределения нормированных оседаний земной поверхности в полумульде сдвижения, которая описывается экспоненциальной функцией от базового расстояния между точками максимальных оседания и наклона и не требует определения местоположения границ мульды.

Исследован характер протекания процесса сдвижения земной поверхности во времени. По результатам частотных инструментальных наблюдений определена функция, адекватно описывающая процесс развития оседаний во времени над движущимся очистным забоем. Исследованы факторы, влияющие на протекание процесса сдвижения земной поверхности после остановки очистного забоя, и впервые установлена зависимость длительности затухания этого процесса от средней глубины разработки и местоположения расчетной точки в полумульде сдвижения. При увеличении средней глубины разработки от 300 м до 1000 м максимальная длительность этого периода изменяется от одного месяца до года после остановки очистного забоя.

На основе проведенных исследований разработаны предложения по совершенствованию существующей методики расчета, позволяющие осуществлять прогноз величины и местоположения вертикальных сдвижений и деформаций земной поверхности в современных условиях подземной разработки угольных пластов в Донбассе.

Результаты проведенных исследований внедрены в ОАО "Шахтоуправление "Донбасс" при подработке 11-й восточной лавой пласта k₃ наклонных стволов, зданий и сооружений промплощадки шахты "Ждановская".

Ключевые слова: подработка земной поверхности, вертикальные сдвижения и деформации, увеличение глубины разработки, совершенствование расчетных методов.

Rozhko, M. D. Prediction of surface vertical movement with increase in coal seam mining depth.

Thesis for Candidate of Science (Engineering) degree by specialty 05.15.01 - Mine Surveying _ State Institution of Higher Education Donetsk National Technical University, Donetsk, 2011.

The thesis deals with the new solution of the challenging scientific and practical problem to determine new regularities for changing of the main parameters of the process of surface subsidence movement with increase in coal seam mining depth that describe distribution of vertical movements in space and in time with the aim of improving prediction methods.

It is shown that with the change in conditions of coal seam mining the current methods to predict surface subsidence movement need to be corrected.

We investigated the nature of changing relative maximum subsidence with the increase in the ratio of the thickness of previously non-undermined parting to production working sizes. Based on the analysis of the results of instrumental observations in the mines of the Donets Coal Basin we obtained new dependencies for localization of maximum surface subsidence and dip points on the main geological and mine engineering factors and determined the new regularity for subsidence distribution in subsidence trough. We also investigated the behaviour of surface movement in time and determined the new dependencies describing time parameters of this process both above the moving and shut-in production face. Proposals related to the improvement of the current surface subsidence movement prediction methods are worked out.

Key words: surface undermining, vertical movement and deformations, increase in mining depth, improvement in computational methods.

Размещено на Allbest.ru