Прогноз зміни стану підробленого гірничого масиву при закритті вугільних шахт

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

МІНІСТЕРСТВО ВУГІЛЬНОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ

ВІДДІЛЕННЯ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИХ ГІРНИЧИХ ПРОБЛЕМ ДОНЕЦЬКОГО ФІЗИКО-ТЕХНІЧНОГО ІНСТИТУТУ ім. О.О. ГАЛКІНА

Єрмаков Віктор Миколайович

УДК 622. 834

ПРОГНОЗ ЗМІНИ СТАНУ ПІДРОБЛЕНОГО ГІРНИЧОГО МАСИВУ ПРИ ЗАКРИТТІ ВУГІЛЬНИХ ШАХТ

05.15.11. - Фізичні процеси гірничого виробництва

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Донецьк-1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Відділенні фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАН України та Мінвуглепрому України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор директор Відділення фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ ім. О. О. Галкіна НАН України та Мінвуглепрому України Алексєєв А. Д.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор заступник директора СКТБ Інституту геотехнічної механіки НАН України (м. Дніпропетровськ) Софійський К.К. кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, завідувач лабораторії гірничого тиску Українського державного науково-дослідного та проектно-конструкторського інституту гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України Дрібан В. О.

Провідна установа - державне підприємство “Комплексний науково-дослідний і проектно-конструкторський інститут з проблем Центрального району Донбасу” (ДонНДІ), м. Горлівка.

ВСТУП

Актуальність теми дисертації. В процесі реструктуризації вугільної промисловості України намічено закриття більше 50 вугільних шахт, експлуатація яких в сучасних умовах є нерентабельною. Хоча за більш 200 річну історію Донбасу було закрито та затоплено більше 150 шахт, разом з тим відсутній необхідний досвід з оцінки впливу виникаючих при цьому процесів на зміни стану гідрогеологічної обстановки у гірничому масиві та його геомеханічного стану. Як показав досвід закриття шахт у м. Краснодоні та Стаханівському регіоні, найбільш складно ці процеси протікають при крутопохилому та крутому заляганні вугільних пластів. Зволоження гірничих порід та зміна їх фізико-механічних властивостей вивчені недостатньо. Також не розроблені надійні способи прогнозування гідрогеологічних та геомеханічних процесів у гірничому масиві і на поверхні, що при наявності сусідніх діючих вугільних підприємств та великої густини забудови поверхні можуть привести до виникнення аварійних ситуацій: заболочення та засолення територій, зміна режимів поверхневих водоприпливів, небезпечних деформацій будинків та споруд і т. д.

Тому актуальним для вугільної промисловості та регіону взагалі є вивчення процесів, які відбуваються у гірничому масиві при закритті вугільних шахт, та створення методики прогнозування небезпечних ситуацій, що дозволять вибрати потрібні варіанти закриття шахти або групи шахт.

Зв'язок теми дисертації з планом науково-дослідних робіт інституту. Основні результати дисертаційної роботи отримані в процесі виконання НДР, які проведені у Відділенні фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ НАН України (№ ДР 0199U002103 та № ДР 0197U008905), де автор приймав безпосередню участь.

Мета роботи. Розробка методики прогнозування деформацій та осідання земної поверхні над полями закритих шахт, яка базується на урахуванні зміни фізико-механічних властивостей гірничих порід при їх намоканні та активізації геомеханічних процесів в масиві над виробленим простором.

Ідея роботи міститься у використанні особливостей проявлення геомеханічних процесів у лавах крутого падіння при різних способах управління гірничим тиском та впливу їх на активізацію процесів зсування при затопленні виробленого простору.

Методи досліджень. В дисертації був використаний комплексний метод, який включає до себе: аналіз та узагальнення досвіду вивчення гідрогеологічних та геомеханічних процесів при відробці пластів крутого падіння у ЦРД з включенням періоду припинення гірничих робіт; аналітичні, лабораторні та шахтні методи досліджень; обробку результатів вимірювань за допомогою методів математичної статистики.

Наукові положення, які винесено на захист, їх новизна.

Вперше встановлено, що водонасичення гірничих порід і вугілля при невеликій зміні їх об'ємної міцності відбувається значне (більше чим у 2 рази) зменшення тріщиностійкості. Це приводе до різкої втрати стійкості ціликів.

Встановлено, що в результаті зменшення міцності гірничих порід та їх пластифікації при зволоженні, процес обвалення покрівлі над виробленим простором найбільше активізується в тих лавах, які були відроблені з застосуванням способів управління гірничим тиском “утримання на кострах” та при щитовій виїмці, що буде причиною додаткового зсування земної поверхні.

Встановлено, що період згасання геомеханічних процесів в масиві гірничих порід та на земній поверхні при виїмці свит крутоспадних вугільних пластів Центрального району Донбасу на деформації поверхні складає 7-10 років.

Обгрунтованність та вірогідність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджується:

використанням апробованих методик та апаратури для вивчення фізико-механічних властивостей гірничих порід, гідрогеологічних та геомеханічних процесів в гірничому масиві;

великим об'ємом експериментальних досліджень на представницьких дільницях спостережень;

збігом отриманих результатів при виконанні як експеріментальних, так і аналітичних досліджень.

Наукове значення роботи міститься у встановленні закономірностей протікання геомеханічних процесів у гірничому масиві при припиненні гірничих робіт та обгрунтування способу їх прогнозу.

Практичне значення роботи міститься у використанні запропонованих автором методів аналізу стану гірничого масиву при закритті шахт для створення методики прогнозу геомеханічних процесів.

Реалізація висновків та рекомендацій роботи. Основні результати використані при складенні галузевого нормативного документа Мінвуглепрому “Типовий план управління навколишнім середовищем (ПУНС) шахт, що закриваються (вимоги до проектування та організації робіт з зниження негативного впливу закриття шахт на екологічну ситуацію вуглепромислових районів) ”, КД 12. 12. 201-97.

Особистий внесок автора. Автором сформульовані мета, ідея та наукові положення роботи. Крім цього автором виконаний аналіз та розроблений обгрунтований спосіб прогнозу стану гірничого масиву при закритті шахт на крутому падінні.

Апробація роботи. Основні результати роботи та її окремі наукові положення доповідались та отримали позитивну оцінку на технічних радах ВО “Артемвугілля” і “Дзержинськвугілля” та на вчених радах ВФТГП ДонФТІ НАНУ (1997-1999рр.)

Публікації. За темою дисертації опубліковано 6 наукових робіт, в тому числі 1 книжка та 5 статей у фахових виданнях.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновку, списку використаних джерел із 118 найменувань і містить 151 сторінки машинописного тексту, 47 рисунків, 26 таблиць.

гідрогеологічний геомеханічний гірничий масив

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Дослідженнями стану гірничого масиву при розробці пластів та особливостям протікання геомеханічних процесів, розробці методів їх прогнозування на різних стадіях розробки вугільних родовищ та в різних гірничо-геологічних умовах присв'ячені роботи К.А. Ардашева, А.Д. Алексєєва, А.Ф. Булата, О.О. Борисова, С.Г. Авершина, Г.М. Кузнецова, М.А. Іофіса, Д.М. Оглобліна, В.М. Земисева, Ф.М. Воскобоєва, А.М. Зоріна, Ю.М. Гавриленко, Ю.Ф. Креніди, К.Ф. Сапицького, М.П. Зборщика, В.Д. Слєсарєва, Б.М. Усаченко, К.К. Софійського, С.С. Гребьонкіна, Л.Н. Ширіна, В.М. Ревви, Є.І. Піталенко, В.В. Назимко, Г.Г. Літвінського, Л.Я. Парчевського, В.І. Черняєва, В.О. Дрібана, І.А. Садовенко, Ю.Ф. Розумного, С.Б. Кулібаби та інш.

Найбільш складно протікають ці процеси при відробці свит крутих та крутопохилих вугільних пластів у Центральному районі Донбасу, коли накладуються зони впливу від кількох одночасно відроляємих вугільних пластів на різних глибинах. Великий вплив на ці процеси чине і тектонічна порушенність вугільних пластів.

В процесі тривалого періоду роботи вугільних шахт в ЦРД вуглепородний масив у значній мірі змінив свої властивості: збільшилась анізотропія порід з приникності за рахунок створення тісного гідравлічного зв'язку між водоносними горизонтами в результаті багаточислених збійок та квершлагів, а в результаті його підробки над виробленим простором лав утворилась система водопровідних тріщин, яка має висоту до 30-40 потужностей відробляємого пласта, та внаслідок малих відстаней між пластами у світах також є загальною водопровідною системою. Крім того змінились і фізико-механічні властивості гірничого масиву: зменшилась міцність складаючих його породних шарів, збільшились його пластичні властивості. Як показав аналіз раніше виконаних робіт, геомеханічні процеси у вуглепородному масиві при відробці крутих вугільних пластів вивчались при інтенсивному проведенні гірничих робіт з постійним збільшенням глибини. Разом з тим, залишаються недостатньо вивченими параметри процесу деформування масиву при припиненні проведення гірничих робіт і, особливо, при затопленні виробленого простору шахтною водою в зв'язку з “мокрою” консервацією шахт. Інструментальні спостереження за деформаціями поверхні над затопленими шахтами за весь період проведення гірничих робіт у Донбасі не виконувались, хоча, як показав досвід відновлення шахт у післявоєнний період та закриття їх у Стаханівському регіоні, затоплення гірничих виробок спричинило не тільки зміну гідрогеологічного режиму в масиві, але і привело до підтоплення значних територій.

Практично не вивчено зміну фізико-механічних властивостей гірничих порід та вугілля при збільшенні їх вологості, особливо в умовах їх інтенсивної порушеності в зонах підробки. Також не досліджені геомеханічні процеси у раніш відроблених лавах в умовах заповнення їх водою, не вивчений вплив застосованих способів управління покрівлею на характер активізації процесу зсування.

Відповідно з цим були сформульовані мета та задачі роботи, які містяться в наступному:

вивчення режиму шахтної води при припиненні експлуатації шахт;

дослідження фізико-механічних властивостей гірничих порід при їх зволоженні шахтною водою в результаті затоплення виробленого простору;

дослідження геомеханічних процесів в раніш підробленому гірничому масиві; які відбуваються в результаті припинення проведення гірничих робіт та зміни гідрогеологічного режиму;

вивчення параметрів активізації процесу зсування та деформації земної поверхні і розробка методів їх прогнозу.

Відробка вугільних пластів у ЦРД, яка здійснюється на протязі більше 100 років привела до існуючої зміни гідродинамічної обстановки в зоні впливу вугільних шахт. В результаті багаторічної відкачки шахтної води у межах шахтних полів утворились депресійні воронки, які досягають глибини на деяких шахтах 600-700 м. Особливості фільтрації підземної води важливі для визначення водоприпливів не тільки на діючих шахтах, їх значення зростає при закритті шахт, коли відкачка води з шахти припиняється, а весь водоприплив розподіляється між суміжними шахтами. Як показали дослідження, які виконані в умовах шахт ВО “Артемвугілля” та “Орджонікідзевугілля”, швидкості фільтрації підземної води можуть досягати від сотої частини до кількох десятків літрів на добу, що свідчить про рух води уздовж тектонічних тріщин та виробленому простору суміжних шахт. Встановлені залежності між величинами коефіцієнта фільтрації глибиною проведення гірничих робіт, яка для діапазону глибин від 500 до 1000 м має вигляд:

К_ф=ав^-Н,

де а та в - емпірічні коефіціенти, значення яких для умов ЦРД а=0, 89-0, 90; в=9900-9950; Н - глибина проведення робіт, м.

Швидкість затоплення виробленого простору залежить від його об'єму з включенням техногенної тріщинуватості, а також від ємкістних параметрів кам'яно-вугільних порід. З досвіду затоплення вугільних шахт у 1941-1944 роках відомо, що ємкість техногенно-порушених порід в зоні відроблених вугільних пластів оцінюється у 1, 5-2% від їх загального об'єму. Аналіз даних про швидкості та час затоплення ряду шахт показав, що підвищення рівня води у шахтах відбулось значно швидше, чим це повинно було б відбутися при затопленні водою певних об'ємів гірничих виробок припливом води, які розраховувались з прямолінійної залежності. Це свідчить про те, що об'єм виробленого простору не можна визначати як добуток відробленої площі на потужність пласта. Необхідно ураховувати геомеханічні процеси, що відбуваються при обваленні порід над виробленим простором, та створення зон розпушених порід. Про складність гідрогеологічних процесів, які відбуваються при руху води у виробленому просторі, свідчить і встановлення турбулентного режиму руху у тріщинуватих породах. Аналіз досвіду розкриття затоплених виробок показує, що при тривалому затопленні породи насичувались водою, що приводило до зменшення їх міцності у 2-3 рази та збільшенню гірничого тиску. Разом з тим відзначалось, що параметри зміни фізико-механічних властивостей гірничих порід при зволоженні залежать від ступеня їх метаморфізму та порушеності.

Гірничі породи являють собою природні агрегати більш або менш постійного складу та побудови, які сформувались в результаті геологічних процесів та залягають у земній корі у вигляді самостійних літологічних різниць, механічні властивості яких характеризуються властивостями зразка гірничої породи.

Важливою характеристикою гірничих порід є їх механічні властивості - клас фізичних властивостей, що характеризує поведінку (стан) порід в умовах різних механічних силових дій.

Механічні властивості гірничих порід розділяються на деформаційні, що характеризують здатність порід деформуватись під навантаженням, міцності, що характеризують опір порід різної дії, та реологічні, що характеризують процеси деформування порід за часом.

Як відомо, гірничі породи характеризуються великою змінністю своїх фізико-механічних властивостей. Незважаючи на великий обсяг виконаних експериментальних досліджень в цьому напрямку, більшість питань потребують свого вивчення. Особливо гостро виникає необхідність у вивченні фізико-механічних властивостей гірничих порід при зволоженні їх шахтною водою.

Експериментальні дослідження проводились на унікальній установці нерівнокомпонентного трьохосьового стиснення УНТС, яка розроблена та створена у Відділенні фізико-технічних гірничих проблем (ВФТГП) ДонФТІ ім. О. О. Галкіна НАН України.

Використовувалась методика експериментальних досліджень, яка також розроблена в ВФТГП з використанням досвіду ВНДМІ, ІГД ім. А. А. Скочинського та інш. Основною особливістю вказаної методики є відображення (ідентифікація) умов навантаження випробуваних зразків, в яких знаходиться умовно виділений елементарний об'єм породи (вугілля) усередині гірничого масиву.

Штучне зволоження зразків здійснювалось шляхом безнапірного насичення у спеціальній установці. Зневадження зразків проводилось в ексикаторі з гігроскопічною речовиною при вакуумірованні та термічному висушуванні. Експериментальні дані оброблювались за допомогою персонального комп'ютера за спеціальною методикою розрахунку міцністних та деформаційних властивостей гірничих порід, яка базується на співвідношеннях механіки суцільних середовищ для об'ємного напруженого стану.

В результаті експериментальних досліджень було оцінено вплив вологонасиченості на основні механічні та енергетичні характеристики гірничих порід (пісковиків, аргілітів та вугілля (різних марок) такі як: міцність на одноосьове стиснення та об'ємна міцність, модуль Юнга, коефіцієнт Пуасона, модуль зсуву, об'ємний модуль деформації, модуль спаду, густина енергії формозміни, густина енергії зміни об'єму, густина енергії руйнування, ефективна поверхнева енергія та інш.

Аналіз результатів показує, що вологонасичення гірничих порід та вугілля шахтною водою дуже суттєво впливає на їх фізико-механічні властивості. Так для пісковиків при зростанні їх вологості до 3% зменшуються модуль пружності, модуль зсуву в 1, 3-1, 5 разів, а енергія руйнування в 3, 4 рази. Зменшення рівнів пружних модулів, густини енергії зміни об'єму та збільшення коефіцієнту Пуасона і густини енергії формозміни свідчить про пластифікацію порід. Аналіз залежностей “девіатор напружень-девіатор деформацій”, які отримані при деформуванні зразків з різними типами цементу в умовах об'ємного навантаження, показують, що при зростанні вологості (до 3%) спостерігається зменшення модуля спаду, що свідчить про схильність їх до більш в'язкого руйнування.

Міцність вугілля (марки Ж, К, Т) на одноосьове стиснення з збільшенням вологи від 0, 15 до 3% зменшується у 2, 8-3, 5 рази.

Дуже важливою характеристикою гірничих порід є ефективна поверхнева енергія (ЕПЕ), що характеризує тріщиностійкість матеріалу, - це енергія, яка необхідна для утворення нового елементу поверхні у тілі.

На рис. 1 зображена зміна ЕПЕ порід від вологості, де крива 1 - пісковик з глинисто-слюдяним та глинисто-кремінним цементом, 2 - пісковик з глинисто-карбонатним цементом. Тріщиностійкість зразків з збільшенням їх вологості від 0, 15% до 2% зменшується у 8 та 2, 5 рази. Т. т. опір пісковиків поширенню у них дефектів типу тріщин при їх зволоженні значно зменшується.

Рис. 1. Залежність ЕПЕ пісковиків від їх вологості: 1 - пісковик з глинисто-слюдяним та глинисто-кремінним цементом, 2 - пісковик з глинисто-карбонатним цементом.

У виробничому просторі шахтного поля, де здійснена виїмка вугільних пластів, відбулось обвалення уміщуючих порід, масив має різний ступінь структурних порушень: від повного руйнування біля відробленого пласта до деякого розвитку (збільшення) природної тріщинуватості при збереженні монолітності на віддаленні десятки метрів від пласта. Це означає, що ступінь водонасичення зруйнованих та частково порушених порід буде різним і пов'язаний з ним зміна характеристик порід буде різною.

З цього розуміння нами проведені дослідження водонасичення порід на спеціально підготовлених зразках.

Дані випробувань зразків порід показують, що з збільшенням структурної порушенності та водонасиченості порід збільшується усадка приблизно у 2, 0-2, 5 рази та знижується міцність у 2, 0 рази. Ці цифри відносяться до найбільш зруйнованих пород. Причому початкова тріщинуватість (3 та 8 видимих тріщин на зразку) вносе значно менший внесок в усадку порід, чим водонасичення.

Через те, що у виробленому просторі можуть бути залишені вугільні цілики великих розмірів (охоронні цілики, залишені дільниці пластів та інш.) виникає питання впливу їх на напружено-деформований стан та зсування гірничого масиву після затоплення гірничих виробок та виробленого простору.

Експериментальні дослідження на УНТС зразків вугілля з зміною їх вологості дозволили зробити висновки. Цілик вугілля, що має невелику природну вологість, в результаті об'ємного стиснення може бути досить жорсткою (твердою) опорою для породної товщі та перешкоджати зміщенню її униз. Якщо цілик вугілля має велику природну вологість, то в цьому випадку він являє собою більш піддатливу опору за рахунок зповзання частинок та мікроблоків і ущільнення вугілля в ньому.

Таким чином, оскільки водонасичення суттєво впливає на фізико-механічні властивості гірничих порід та вугілля, при прогнозуванні зміни стану підробленого гірничого масиву на шахтах, що закриваються, необхідно використовувати отримані експериментальні результати.

Зміна вологості та, як наслідок, фізико-механічних властивостей гірничих порід приводе до відновлення процесу деформації та обвалення бокових порід над виробленим простором лав. Це пов'язано в першу чергу з особливостями способів управління гірничим тиском на пластах крутого падіння та геомеханічних процесів, що при цьому відбуваються. Найбільш поширеним способом управління гірничим тиском при відробці нижніх 3-4 горизонтів (т. т. глибини 500-1100 м) є спосіб утримання на кострах. Обсяг його застосування у різні роки складає від 70% до 50%. Також великий обсяг застосування у способів плавного опускання (12%) та обвалення на щитовий агрегат - 22%. При способі утримання на кострах у виробленому просторі залишається велика кількість привібійного (дерев'яні стояки густиною до 3, 33 стояків/м²) та спеціального (костри з круглого дерева або шпального бруса через 4-6 м уздовж падіння та простягання) кріплення, яке хоча і інтенсивно деформоване у виробленому просторі, проте зберіга залишкову несучу здатність та підтримує частину покрівлі, що біля кріплення. При зменшенні міцності порід покрівлі та підошви через зволоження відбудеться втрата контакту кріплення з породами, що стане причиною поновлення процесу обвалення порід покрівлі та активізації геомеханічних процесів у вищележачому гірничому масиві.

У виробленому просторі щитовими агрегатами, як показали дослідження ВНДМІ та ВФТГП ДонФТІ НАНУ, під монтажною нішою утворюються порожнечі, які не заповнені породою на висоту до 6 потужностей пласта та розмірами уздовж падіння до 20-30 м. Решта виробленого простору заповнено обваленою породою різних за розміром кусків та ступеню ущільнення: найбільш дрібні фракції з найбільшим ущільненням знаходяться у нижній частині відробленої смуги. У випадку затоплення слід чекати поновлення перепуску порід униз виробленого простору з збільшенням розмірів порожнини під вентиляційним горизонтом як уздовж падіння, так і уверх на 20-30%.

Міжетажні цілики вугілля, які за тривалий період знаходження в зонах опорного тиску інтенсивно порушені, при намоканні можуть обвалитись, що викличе перепуск обвалених порід у вироблений простір. Тому процес активізації зсування гірничого масиву захопить всю площу відробки, що реалізується у додатковому осіданні земної поверхні.

В результаті виконаного в роботі аналізу геомеханічних процесів встановлено, що бокові породи можуть переміститись над виробленим простором на 10-20% від вийнятої потужності вугільних пластів.

Виконаний в роботі аналіз існуючих методик прогнозування деформацій земної поверхні при розробці світи крутоспадних пластів, в тому числі і включених до нормативно-методичних документів, показав, що розрахунки за ними приводять до значних помилок.

Це можна пояснити слабкими надійністю та обгрунтованністю параметрів процесу зсування від окремих виробок. По-перше, до моменту розробки методики розрахунку, а вона не змінювалась з середини 60-х років, був відносно малий об'єм спостережень. З другого боку, аналіз спостережень при великій кількості одночасно впливаючих виробок можливий тільки при наявності потужних програм для ЕОМ, які в той період були відсутні.

Умови та закономірності створення та розвитку уступів, в основному, вивчені для напівмульди уздовж падіння в період зростання уступів. Уступам в напівмульді за підняттям практично не приділялась увага як при теоретичних дослідженнях, так і при організації спостережень. Однак з збільшенням глибини уступи в напівмульді уздовж падіння будуть зменшуватися, а в напівмульді за підняттям навпаки. Тому актуальність прогнозування уступів в напівмульді за підняттям зростає.

Розміри зони впливу від активізації процесу зсування над старими гірничими виробками, характер та тривалість зсування залежать від наступних факторів:

а) потужності відробленого пласта вугілля, кута падіння та глибини розташування виробок;

б) розмірів очисних виробок, розташування та розмірів залишених ціликів;

в) фізико-механічних властивостей порід;

г) структурних особливостей масиву гірничих порід (присутність потужних міцних шарів порід).

Для розрахунків зсування та деформацій земної поверхні від активізації процесу зсування гірничих порід при затопленні гірничих виробок запропоновано використовувати методику Ю. М. Гавриленко, де одним із основних параметрів є так названа впливаюча потужність пласта на процес активізації.

У формулах для розрахунку зсування активізації використовується так названа впливаюча потужність пласта на процес активізації.

Впливаюча потужність визначається для кожної відробленої виробки в межах горизонту з формули:

m_a=K₁ K₂ K₃ K₄ K₅ m_в,

де m_a - впливаюча потужність відробленого пласта приймається в розрахунку деформацій земної поверхні в залежності від активізації процесу зсування при затопленні гірничих виробок;

К₁ - коефіцієнт, який залежить від ступеню метаморфізму вугілля;

К₂ - коефіцієнт, який залежить від типу порід безпосередньої покрівлі;

К₃ - коефіцієнт, який залежить від обводненності гірничих порід;

К₄ - коефіцієнт, який залежить від глибини гірничих порід;

К₅ - коефіцієнт, який залежить від способу управління покрівлею;

m_в - вийнята потужність пласта.

Виконані розрахунки за розробленою методикою для умов шахти “Кочегарка” показали, що при затопленні виробленого простору величина максимального осідання від кожного горизонту (в діапазоні 500-1100 м) складає 0, 4-0, 5 м, що визиває приріст висоти уступу 20-30 мм.

Це надає можливість заздалегідь оцінити рівень затоплення виробленого простору з урахуванням мінімальних пошкоджень забудов.

Також маловивченим параметром процесу зсування на крутоспадних пластах є період, під час якого виникає вплив гірничих робіт на деформації земної поверхні.

ВИСНОВКИ

В результаті виконання дисертаційної роботи вирішена актуальна науково-практична задача, що зв'язана з прогнозуванням активізації геомеханічних процесів при затопленні шахт в Центральному районі Донбасу.

Основні наукові та практичні результати містяться у наступному:

Прогнозування очікуємих деформацій земної поверхні за методиками існуючих нормативно-методичних документів здійснюється з значними помилками. Це викликано слабкими надійністю та обгрунтованістю процесу зсування від окремих виробок.

В процесі відробки вугільних пластів у ЦРД різко змінився гідрогеологічний режим, який характеризується утворенням депресійних воронок глибиною до 700 м та підвищеною проникністю вуглепородної товщі внаслідок розкриття її виробками уздовж простягання та навхрест простягання, а також інтенсивною підробкою очисними вибоями з утворенням системи техногенних тріщин.

Коефіцієнт фільтрації гірничого масиву для пластів крутого падіння та глибини у діапазоні від 500 до 1000 м можливо визначити з емпіричної залежності К_ф = а в^-Н, де а та в - емпіричні коефіцієнти; Н - глибина робіт, м.

В процесі водонасичення гірничих порід та вугілля зменшуються їх пружні та міцністні характеристики, що приводе до пластифікації гірничого масиву.

Водонасичення гірничих порід та вугілля викликає схильність їх до більш в'язкого руйнування.

При збільшенні вологості гірничих порід та вугілля до 6% рівень їх тріщиностійкості зменшується до 8 разів.

Зміна міцністних властивостей гірничих порід приводе до поновлення процесу обвалення бокових порід.

Активізация геомеханічних процесів при зволоженні гірничих порід може привести до додаткового осідання земної поверхні у середньому до 500 мм від кожного відробленого горизонту з 500 до 1200 м.

Запропонована методика розрахунку деформацій земної поверхні внаслідок активізації геомеханічних процесів у виробленому просторі, яка дозволяє урахувати гірничо-геологічні та фізико-механічні властивості вуглепородного масиву, а також способи управління гірничим тиском в очисних вибоях.

Основний зміст дисертаційної роботи опубліковано в наступних печатних роботах:

Ермаков В.Н., Улицкий О.А., Спожакин А.И. Изменение гидродинамического режима шахт при затоплении // Уголь Украины. - 1998. - №6. - С. 11-13.

Ермаков В.Н., Петренко С.Я. Об изменении концепции принятия проектных решений в целях снижения расходов на ликвидацию шахт // Уголь Украины. - 1998. - №6. - С. 7-10.

Вопросы управления горным давлением на тонких крутых пластах Донбасса / В.Г. Александров, А.В. Аксенов, Н.А. Алышев, Н,А. Шаповал, Е.И. Питаленко, Ю.А. Пивень, Б.И. Курицын, Ю.Г. Литвинов, Э.В. Борисенко, Д. М. Житленок, В.Н. Ермаков, - Донецк: Лебедь, 1998. - 288 с.

Алексеев А.Д., Питаленко Е.И., Маевский В.С., Ермаков В. Н. Деформационные процессы в горном массиве при закрытии угольных шахт // Физико-технические проблемы горного производства. - Донецк, ДонФТИ. - 1998. - С. 5-9.

Ревва В. Н., Недодаев Н. В., Ермаков В. Н., Улицкий О. А. Изменение физико-механических свойств угля и вмещающих пород при водонасыщении // Известия Горного Института. - 1999. - № 1. - С. 31-32.

Ермаков В. Н., Петренко С. Я., Касимов О. И., Кочерга В. Н. О предотвращении выделения газов из ликвидируемых шахт Стахановского региона // Уголь Украины. - 1999. - №5. - С. 15-17.

АНОТАЦІЯ

Єрмаков В.М. Прогноз зміни стану підробленого гірничого масиву при закритті вугільних шахт - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05. 15. 11 - фізичні процеси гірничого виробництва. - Відділення фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ НАНУ ім. О. О. Галкіна, Донецьк, 1999.

Дисертаційна робота містить рішення нової актуальної наукової і технічної задачі, що полягає у встановленні механізму активізації геомеханічних процесів у районі відробленого гірничого масиву, яка викликана затопленням закритих вугільних шахт, із метою прогнозу можливих аварійних ситуацій.

Експериментальними дослідженнями встановлено, що при зволоженні гірничих порід їхня тріщиностійкість зменшується в 8 разів, причому одночасно збільшуються пластичні властивості масиву. Оцінено гідрогеологічну ситуацію в районі шахт вугільних пластів, якы відпрацьовують свити крутих пластів у Центральному районі Донбасу, можливі варіанти її зміни при закритті шахт. У результаті аналізу експериментальних досліджень геомеханічних процесів у лавах крутих пластів і процесу деформування гірничого масиву розроблена методика прогнозу розміру осідання земної поверхні над виробленим простором, яке викликане активізацією.

Ключові слова: вугільна шахта, гідрогеологія, фізико-механічні властивості, геомеханічні процеси, деформування земної поверхні.

АННОТАЦИЯ

Ермаков В.Н. Прогноз изменения состояния подработанного горного массива при закрытии угольных шахт - Рукопись.

Диссертация на соискание степени кандидата технических наук по специальности 05. 15. 11 - физические процессы горного производства. - Отделение физико-технических горных проблем ДонФТИ НАНУ им. А. А. Галкина, Донецк, 1999.

Диссертационная работа содержит новое решение актуальной научной и практической задачи - установление особенностей протекания геомеханических процессов в ранее подработанном горном массиве при затоплении выработанного пространства с целью прогнозирования характера и величины оседания земной поверхности, вызванного активизацией процесса сдвижения.

В настоящее время в рамках программы реструктуризации угольной промышленности происходит массовое закрытие шахт, в том числе с прекращением водоотлива из выработанного пространства, что приведет к его затоплению и изменение гидрогеологической обстановки и геомеханического состояния горного массива. До сих пор не разработано надежных способов прогнозирования этих процессов.

В процессе длительного периода работы угольных шахт в ЦРД углепородный массив в значительной мере изменил свои свойства: увеличилась анизотропия пород по проницаемости за счет создания тесной гидравлической связи между водоносными горизонтами в результате многочисленных сбоек и квершлагов и зон трещиноватости над выработанным пространством, достигающих в высоту до 10-40 мощностей отрабатываемого пласта. Помимо этого изменились и физико-механические свойства горного массива: уменьшилась прочность слагающих его породных слове, увеличились его пластические свойства. Возникает необходимость в изучении физико-механических свойств горных пород при увлажнении их шахтными водами.

Экспериментальные исследования проводились на установке неравнокомпонентного трехосного сжатия, разработанной и созданной в Отделении физико-технических горных проблем ДонФТИ.

В результате экспериментальных исследований было оценено влияние влагонасыщенности на основные механические и энергетические характеристики горных пород и углей такие, как: прочность на одноосное сжатие и объемная прочность, модуль Юнга, коэффициент Пуассона, модуль сдвига, объемный модуль деформации, модуль спада, плотность энергии формоизменения, плотность энергии изменения объема, плотность энергии разрушения, эффективная поверхностная энергия и др.

Так для песчаников с ростом влажности их до 3% уменьшаются модуль упругости, модуль сдвига в 1, 3-1, 5 раза, а энергия разрушения в 3, 4 раза. Уменьшение уровней упругих модулей, плотности энергии изменения объема и увеличения коэффициента Пуассона и плотности энергии формоизменения свидетельствуют о пластификации пород и склонности к более вязкому разрушению. Прочность углей на одноосное сжатие с увеличением влажности от 0, 15 до 3% уменьшается в 2, 8-3, 5 раза.

Изменение влажности и физико-механических свойств горных пород влечет за собой возобновление процесса деформаций и обрушений боковых пород над выработанным пространством лав. Это связано в первую очередь со способами управления горным давлением на пластах крутого падения и особенностями происходящих при этом геомеханических процессов. Наиболее распространенным способом управления горным давлением при отработке нижних 3-4 горизонтов (т. е. глубины 500-1100 м) является способ удержания на кострах. Объем его применения в разные годы составлял от 70% до 50%. Также большой объем применения у способа плавного опускания (12%) и обрушения на щитовой агрегат - 22%. При способе удержания на кострах в выработанном пространстве остается большое количество призабойной и специальной крепи, которая хотя и интенсивно деформирована в выработанном пространстве, тем не менее сохраняет остаточную несущую способность и поддерживает часть кровли, прилегающую к крепи. При уменьшении прочности пород кровли и почвы из-за увлажнения произойдет потеря контакта крепи с породами, что явится причиной возобновления процесса обрушения пород кровли и активизации геомеханических процессов в вышележащем горном массиве.

В выработанном пространстве, отработанном щитовыми агрегатами, как показали исследования ВНИМИ и ОФТГП ДонФТИ НАНУ, под монтажной нишей образуются пустоты, не заполненные породой на высоту до 6 мощностей пласта и размерами по падению до 20-30 м. Остальное выработанное пространство заполнено обрушенными породами различных по размерам обрушенных кусков и степени уплотнения: наиболее мелкие фракции с наибольшим уплотнением находятся в нижней части отработанной полосы. В случае затопления следует ожидать возобновление перепуска пород вниз по выработанному пространству с увеличением размеров полости под вентиляционным горизонтом как по падению, так и вверх на 20-30%.

В результате анализа выполненных исследований предложена методика определения величины дополнительных деформаций поверхности, вызванных активизацтей геомеханических процессов при увлажнении горного массива. Для ЦРД следует ожидать при затоплении только одного горизонта шахты дополнительных оседаний земной поверхности до 500 мм, что соответствует приращению высоты уступа до 30 мм. Время затухания процесса сдвижения при полном прекращении горных работ может составить около 10 лет.

Ключевые слова: угольная шахта, гидрогеология, физико-механические свойства, геомеханические процессы, деформация земной поверхности.

SUMMARY

Ermakov V.N. Forecasting the modification of underworked rock mass condition due to abandonment of coal mines - Manuscript.

The thesis submitted for a candidate of technical science degree in the field 05. 15. 11 - physical processes in mining - The Department of Physico-Technical mining problems DonPTI, Ukrainian National Academy of sciences, Donetsk, 1999.

The dissertation includes a solution, with the aim of forecasting possible emergent conditions, of new urgent research and technological problem consisting in deferminig the activation mechanism of geomechanical processes in underworked rock mass due to flooding of abandoned coal mines.

It has been established experimentally that moistening of rocks reduces their fracture touphness up to of initial value, plasticity of the mass being increased. The hydrogeological condition in mine field with pitching coal seam suites in Central region of Donbass is estimeted as well as possible alternatives of its modification due to abandonment of the mines. A forecasting method is developed for earth surface subsidence amount over the goaf due to activation, based on analysis of experimental study of geomechanical processes in faces of pitching seams as well as rock mass deformation process.

Key words: a colliery, hydrogeology, mechanical properties, geomechanical processes, deformation of a terrestrial surface.

Размещено на Allbest.ru