автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Геомеханические основы построения карт прогноза деформаций земной поверхности при разработке угольных месторождений

Введение

1. Глава 1. Состояние изученности процесса сдвижения земной поверхности при разработке угольных месторождений.

1.1. Возникновение проблемы сдвижения земной поверхности

1.2. Современные представления о сдвижении и деформировании горных пород

1.3. Исследования деформационных процессов

1.4. Методы расчета сдвижений и деформаций

1.5. Нормативная база, регламентирующая расчеты сдвижений и деформаций на угольных месторождениях

1.6. Инженерные методы расчета сдвижений и деформаций

1.7. Виды рассчитываемых сдвижений и деформаций

1.8. Практикуемые способы охраны подрабатываемых объектов

1.9. Построение карт прогноза сдвижений и деформаций

1.10. Автоматизированный расчет сдвижений и деформаций

2. Глава 2. Геомеханическое обеспечение построения карт прогноза сдвижений и деформаций

2.1. Геомеханическое обеспечение горных работ

2.2. Факторы оказывающие влияние на развитие деформационных процессов.

2.3. Внедрение информационных технологий в горную промышленность

2.4. Составление прогноза и вывод результатов расчетов

2.5. Этапы составления прогноза сдвижений и деформаций

2.6. Карта прогноза и современные информационные технологии

2.7. Использование карт прогноза сдвижений и деформаций Выводы

3. Глава 3. Влияние факторов при совместной отработке нескольких очистных выработок

3.1. Суммирование сдвижений и деформаций при их расчете

3.2. Учет активизации процесса сдвижения

3.2.1. Причины активизации процесса сдвижения

3.2.2. Физическая сущность активизации Выводы

4. Глава 4. Автоматизация расчетов сдвижений и деформаций

4.1. Выбор базового программного обеспечения

4.1.1. Общие требования

4.1.2. Базовое программное обеспечение ядра системы

4.2. Расчет сдвижений и деформаций

4.2.1. Подготовка исходных данных

4.2.2. Создание образов очистных горных выработок

4.2.3. Исходные горно-геологические параметры:

4.3. Вычисление величин сдвижений и деформаций

4.3.1. Вычисление исходных горно-геологических параметров

4.3.2. Суммирование сдвижений и деформаций

4.3.3. Системы координат, применяемые при расчете сдвижений и деформаций

4.4. Математическое описание алгоритма расчета сдвижений и деформаций

4.4.1. Допущения, вводимые в расчет

4.4.2. Вычисление исходных параметров для расчета

4.4.3. Расчет сдвижений и деформаций непосредственно в точках сеточной модели

4.4.5. Отображение полученных результатов

4.4.6. Построение карты прогноза сдвижений и деформаций Выводы

Актуальность проблемы. В период реструктуризации угольной промышленности особую остроту приобрела проблема геомеханического обеспечения эксплуатации угольных шахт. На угленосных площадях расположено большое количество сооружений и природных объектов и лишь при условии надлежащей защиты их от вредного влияния горных разработок возможна эффективная отработка запасов. Это требует применения различных инженерных мероприятий, требующих ощутимых материальных затрат на их осуществление. Оперативный и достоверный прогноз изменения геомеханического состояния массива горных пород необходим для разработки и своевременного применения профилактических мер защиты и обеспечения безопасности подработки объектов и сооружений.

На горных предприятиях производятся наблюдения за сдвижением земной поверхности для контроля геомеханической ситуации и уточнения параметров развития деформационных процессов. Для разработки проекта и организации наблюдений необходим также прогноз ожидаемых сдвижений и деформаций.

Решение экологических проблем в угледобывающих регионах сопряжено с применением природоохранных мер, проектирование которых осуществляется на основе величин ожидаемых сдвижений и деформаций.

Цель работы - повышение эффективности и безопасности работы угледобывающих предприятий под застроенными территориями и природными объектами на основе оперативного и детального прогноза, базирующегося на выявленных закономерностях развития деформационных процессов и современных достижениях в области информационных технологий.

Идея исследований состоит в целенаправленном использовании геоинформационных технологий для повышения точности, оперативности прогноза сдвижений и деформаций и визуализации полученных результатов 5 при комплексной оценке влияния горных работ на земную поверхность и расположенные на ней объекты.

Задачи исследований: определение факторов, оказывающих влияние на достоверность прогноза сдвижений и деформаций и совершенствование существующих методов расчета с учетом наиболее значимых из них; научное обоснование и разработка методики автоматизированного расчета деформаций земной поверхности при эксплуатации и ликвидации угольных шахт; адаптация существующих и усовершенствованных методов, расчетных формул к автоматизированным способам расчета; разработка программных модулей для построения карт прогноза деформаций земной поверхности от влияния горных работ в очистных выработках угольных шахт.

Методы исследований. В работе применена комплексная методика исследований, включающая анализ и обобщение результатов предшествующих исследований, существующих методов расчета, системный анализ процессов обработки, трансформации, отображения маркшейдерской и геомеханической информации, компьютерное моделирование процесса сдвижения, сопоставление полученных результатов с данными наблюдений на угольных месторождениях.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Геомеханическое обеспечение при освоении недр наилучшим образом осуществляется на основании карт прогноза сдвижений и деформаций, что позволяет учитывать все факторы, оказывающие влияние на процесс сдвижения и деформирования объектов: геологические, геомеханические, технологические и геоситуационные.

2. Суммирование сдвижений и деформаций при расчете допустимо 6 производить алгебраически только в пределах упругого деформирования горных пород и объектов, определяемого их свойствами. В диапазоне, где алгебраическое суммирование не допустимо, к учету следует принимать максимальные значения деформаций, полученные при вычислениях.

3. При автоматизированном расчете сдвижений и деформаций, выполняемом по площади, активизацию процесса сдвижения следует определять с учетом того, что основным ее источником является зависание горных пород в краевой части очистных выработок.

4. Применение для прогноза сдвижений и деформаций геоинформационных систем позволяет осуществлять оперативный и комплексный анализ влияния горных работ на поверхность и расположенные на ней объекты, а также представлять результаты расчетов на карте прогноза сдвижений и деформаций в удобочитаемом и метричном виде.

Научная новизна работы заключается в следующем: установлены факторы, оказывающие влияние на характер и величины сдвижений и деформаций земной поверхности, разработана их классификация и обоснованы методы учета этих факторов при составлении карт прогноза, что позволяет создать надежную основу для выбора мер охраны подрабатываемых объектов; разработаны принципы суммирования сдвижений и деформаций при расчете от различных очистных выработок; уточнены закономерности развития деформационных процессов при совместном влиянии нескольких очистных выработок; дано научное обоснование методики автоматизированного расчета деформаций земной поверхности при эксплуатации и ликвидации угольных шахт с использованием геоинформационных систем; адаптированы существующие и усовершенствованные методы расчета деформаций к автоматизированному расчету с применением современных геоинформационных технологий;

Достоверность и обоснованность результатов исследований подтверждается хорошей сходимостью результатов автоматизированного прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности с результатами наблюдений на шахтах, а также надежностью и оперативностью результатов цифрового (с использованием геоинформационных систем) и графического моделирования деформационных процессов.

Научное значение работы. Дано научное обоснование методики автоматизированного расчета деформаций земной поверхности при эксплуатации и ликвидации угольных шахт, доказана эффективность применения ГИС технологий для прогноза сдвижений и деформаций при подземной добыче угля, установлены основные факторы, оказывающие влияние на процесс сдвижения земной поверхности и деформирования объектов на угольных месторождениях и разработана их классификация и способы их учета при автоматизированных расчетах. Разработаны принципы суммирования сдвижений и деформаций при их расчете от различных очистных выработок. Уточнен принцип и механизм активизации процесса сдвижения и разработан метод ее учета при построении карт прогноза сдвижений и деформаций.

Практическое значение работы. Разработаны методы составления карт прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности на основе геоинформационного подхода, значительно сокращающие время прогноза и многократно повышающие его достоверность.

Разработаны компьютерные технологии расчета сдвижений и деформаций на угольных шахтах, позволяющие оперативнее и точнее рассчитывать их величины и отображать полученные результаты на картах прогноза сдвижений и деформаций в удобочитаемом и метричном виде, позволяющих более обоснованно осуществлять геомеханическое обеспечение горных работ. 8

Реализация результатов исследований.

Результаты исследований включены в нормативные документы:

Методика автоматизированного расчета деформаций земной поверхности при эксплуатации и ликвидации угольных шахт», утвержденная Госгортехнадзором России и согласованная с Министерством топлива и энергетики Российской Федерации и введенная в действие с 1 октября 1998 г.

- «Инструкция по наблюдениям за сдвижениями земной поверхности и расположенными на ней объектами при строительстве в Москве подземных сооружений», согласованная с Управлением Генплана Правительства Москвы и утвержденная Госгортехнадзором России 17 сентября 1997 г.

Программный модуль ГИС Агс¥1ем?3.1 для расчета ожидаемых сдвижений и деформаций внедрен на шахтах ОАО «Ленинскуголь».

Апробация работы. Результаты работы докладывались на научных симпозиумах «Неделя горняка - 98», «Неделя горняка - 99» и «Неделя горняка - 2000» (2-6 февраля 1998, 2-6 февраля 1999 и 31 января-4 февраля 2000 г., Москва), на Съезде маркшейдеров России (12-16 октября 1998 г., Москва), Всероссийском Юбилейном симпозиуме маркшейдеров «ВЮСМ-2000» (10-15 апреля 2000 г. МГОУ), 3 Всероссийской научно-практической конференции «Геоинформатика в нефтяной и горной отраслях» (18-20 апреля 2000 г. РАГС) и на межлабораторных семинарах в ИГЖОН РАН.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано шесть работ. 9

Основные выводы, научные и практические результаты исследований заключаются в следующем:

1. Существующие методы геомеханического обеспечения горных работ на угольных шахтах не обеспечивают точности, оперативности и комплексности прогноза сдвижений и деформаций.

2. Анализ существующих методик позволил установить факторы, оказывающие влияние на характер и величины ожидаемых сдвижений и деформаций, разработать классификацию этих факторов и обосновать методы их учета при комплексном анализе протекания процесса деформирования земной поверхности.

3. Геомеханическое обеспечение при освоении недр наилучшим образом осуществляется на основании карт прогноза сдвижений и деформаций, что позволяет полнее учитывать все факторы, оказывающие влияние на процесс сдвижения и деформирования объектов: геологические, геомеханические, технологические и геоситуационные

4. Показано, что суммирование сдвижений и деформаций при расчетах допустимо производить алгебраически только в пределах упругого деформирования горных пород, определяемого их свойствами, а не по всему

114 диапазону, как это делалось ранее.

5. Установлено влияние активизации процесса сдвижения и разработаны методы ее учета при расчете ожидаемых сдвижений и деформаций.

6. Обоснованы новые принципы геомеханического обеспечения работы угольных предприятий на базе уточненных и усовершенствованных методов прогноза сдвижений и деформаций и современных ГИС.

7. Дано научное обоснование методики автоматизированного расчета сдвижений и деформаций при эксплуатации и ликвидации угольных шахт с использованием геоинформационных систем, позволяющей отражать развитие деформационных процессов во времени и пространстве.

8. Методика автоматизированного расчета деформаций земной поверхности при эксплуатации и ликвидации угольных шахт и модули расчета ожидаемых сдвижений и деформаций внедрены на шахтах ОАО «Ленинску голь».

9. Решение такой весьма сложной проблемы, как прогноз сдвижений и деформаций, и принятие на его основе решений по защите сооружений и природных объектов наилучшим образом осуществляется при комплексном подходе, обеспечиваемом применением геоинформационных систем.

115

Заключение

В диссертационной работе на основе использования современных достижений геомеханики и геоинформатики представлено новое решение актуальной научной задачи геомеханического обеспечения горных работ при эксплуатации и ликвидации угольных шахт, позволяющее повысить эффективность работы угледобывающих предприятий под застроенными территориями и природными объектами и обеспечивающее безопасность подработки сооружений на основе оперативного и детального прогноза, базирующегося на выявленных закономерностях развития деформационных процессов и применения геоинформационных технологий имеющей большое народохозяйственное и социальное значение.

1. Инструкция по наблюдениям за сдвижениями горных пород, земной поверхности и подрабатываемыми сооружениями на угольных и сланцевых месторождениях, М., Недра, 1989.

2. P.A. Муллер, И.А. Петухов, А.Н. Красовский, П.Е. Клещев Теоретические методы расчета сдвижений и деформаций земной поверхности, вызванных подземными горными работами. Обзор ЦНИЭИуголь, М.: 1977.

3. М.А. Иофис Научные основы управления деформационными и дегазационными процессами при разработке полезных ископаемых. М., ИПКОНРАН 1984. 230 с.

4. И.А. Турчанинов, М. А. Иофис, Э.В. Каспарьян. Основы механики горных пород. JL: Недра, 1989. 488 с.

5. М.А. Иофис, А.И. Шмелев. Инженерная геомеханика при подземных разработках. М.: Недра, 1985, 248 с.

6. В.Н. Земисев Расчеты деформаций горного массива М.: Недра, 1973. 144 с.

7. А.Г. Акимов, В.Н. Земисев, H.H. Канцнельсон, В.М. Короткое и др. Сдвижение горных пород при подземной разработке угольных и сланцевых месторождений. М.: Недра, 1970. 224 с.

8. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях.1161. M. Недра. 1981.288 с.

9. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. Санкт-Петербург., ВНИМИ, 1998.

10. Г.Н. Кузнецов, К.А. Ардашев, H.A. Филатов и др. Методы и средства решения задач горной геомеханики. М.: Недра, 1987. 248 с.

11. ЕВ. Беляев Теория подрабатываемого массива горных пород. М:: Наука, 1987. 176 с.

12. Е.В. Беляев Геомеханические преобразования и охрана подрабатываемых территорий М.: Наука, 1988. 191 с.

13. Отечественная маркшейдерия и горная геомеханика. Под редакцией М.И. ЩадоваМ.: Недра, 1987. 253 с.

14. P.A. Муллер, И.А. Петухов, А.Н. Красовский, П.Е. Клещев Теоретические методы расчета сдвижений и деформаций земной поверхности, вызванных подземными горными работами. Обзор ЦНИЭИуголь, М.: 1977.

15. Методические указания по прогнозу допустимых и предельных деформаций земной поверхности при многократной подработке зданий и сооружений (изменения и дополнения к Правилам охраны). JI., 1991. 47 с.

16. Г. Кратч Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений. Перевод с немецкого под редакцией P.A. Муллера и И.А. Петухова М., Недра, 1878. 494с.

17. Горные науки освоение и сохранение недр земли. Под редакцией К.Н. Трубецкого. М.: АГН. 1997. 480 с.

18. Архипов H.A., Ельчанинов Е.А. Горбачев Д.Т. Добыча угля и рациональное природопользование. М., Недра 1987. 285с.

19. P.A. Муллер, Л.Ш. Меламут, В.М. Варлашкин, В.В. Короткое, П.Ф. Гертнер. Защита гражданских зданий от влияния подземных горных117работ. М.: Недра, 1970, 224 с

20. Надшахтное строительство. Сборник трудов по вопросам защиты зданий и сооружений от вредного влияния горных выработок №2 Донецк 1961 г.

21. Иофис М.А. Графики для расчета деформаций земной поверхности при выемке свиты пластов. ЦИТИ угольной промышленности. М.: 1960 г.

22. И.Л. Черняк, С.А. Ярунин Управление состоянием массива горных пород. М.: Недра. 1995. 395с.

23. Сборник нормативных материалов по маркшейдерскому и геологическому обеспечению горных работ в угольной отрасли России. М., ИПКОН РАН, 1997.

24. Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках. Под общей ред. Проф., доктора техн наук В.А. Букринского и канд. техн. наук Г.В. Орлова М.: Недра, 1984 г. 247 с

25. Абрамов Ф.А., Мякенысий В.И. Образование полостей на границе очистной выработки и явление активизации сдвижения горных пород, ЦНИИЭИуголь, в сб. Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело №8, 1969, с. 45-48.

26. Иофис М.А. Активизация сдвижений земной поверхности при совместном влиянии двух лав. «Труды ВНИМИ» №42, Л.: 1961, с. 189193.

27. Руководство по расчету и проектированию зданий и сооружений на подрабатываемых территориях. М.: Стройиздат, 1977, с. 138.

28. ДеМерс, Майкл Н. Географические Информационные системы. Основы.: Пер. с англ. -М.: Дата+, 1999. 492 с.

29. А.В. Кошкарев, B.C. Тикунов Геоинформатика / Под ред. Д.В. Лисицкого. М.: «Картоцентр» - «Геодезиздат», 1993. 213с.:

30. Скогореева Р.Н. Геодезия с основами геоинформатики. М.: Высш. шк. 1999.-205 с.118

31. Автоматизация геолого-маркшейдерских графических работ. В.В. Ершов, А.С. Дремуха, В.М. Трость и др. М.: Недра, 1991. -347с.

32. В.А. Жариков, Ю.Г. Леонов, Ю.Г. Сафонов и др. Науки о земле состояние, приоритетные направления развития. М.: ИПКОН РАН, 1996, 213 с.

33. Ширяев Е.Е. Картографическое отображение, преобразование и анализ геоинформации. М.: Недра, 1984, 248 с.

34. Алгоритмические основы машинной графики: пер. с англ. М.: Мир, 1989. 512 е., ил.

35. B.C. Хохряков Геоинформационный метод математического моделирования // Физико-математические проблемы разработки полезных ископаемых. Новосибирск, 1986. №5. С. 89-94.

36. М.А. Иофис Геомеханический мониторинг при освоении недр, Горный вестник, М., 1997 №4, с. 54-58.

37. Маркшейдерский вестник М,: Геомар

38. A.M. Трофимов, М.В. Панасюк Геоинформационные системы и проблемы управления окружающей средой. Казань: Изд-во Казанского университета, 1984.

39. В.А. Червяков Концепция поля в современной картографии Новосибирск, Наука, Сибирское отделение 1978.

40. В.И. Дремов, А.Г. Воронцов, В.К. Ярмилов и др. Информационное обеспечение геолого-маркшейдерской службы. // Горный журнал. -1995. -№3. С. 46-49.

41. Arc View GIS Руководство пользователя Русский перевод Data+ M.: МГУ 1998 г.

42. Avenue Руководство пользователя. Русский перевод Data+ M.: МГУ 1998 г.

43. B.C. Хохряков Геоинформационный метод математического моделирования // Физико-математические проблемы разработки119полезных ископаемых. Новосибирск, 1986. №5. С. 89-94.

44. О.Л. Кузнецов Проблемы и задачи геоинформатики // Методологические проблемы автоматизации процессов комплексного изучения недр: Сб. научн. тр. МНТК «Геос». -1989- С. 3-8.

45. И.В. Гирлиц Геоинформационные технологии. Международный опыт. Перспективы развития. М.: ВНИЭМ, 1988.

46. Маркшейдерский вестник //№1 1998 М.: Геомар с 34-43.

47. Горный информационно-аналитический бюллетень //№6 1998 с 165-169

48. Информационное обеспечение геолого-маркшейдерской службы / В.И. Дремов, А.Г. Воронцов, В.К. Ермилов и др. // Горный журнал . 1995. -№3 с 46-49

49. Геоинформационная плотность математических моделей горного предприятия /Хохряков B.C., Карнилов C.B., Сивков М.Н. и др.// Горный журнал Горный журнал . 1990. - №9 с 14-20

50. Что такое ГИС /В. Гохман В. Андрианов //Arcrewiew № 4 1988 Дата+ с 1-3

51. Под ред. Е.И. Шемякина Оптимизация и автоматизация проектных решений в горном деле Новосибирск 1987 г. 129 с.

52. Кравченко Ю.А. Методы моделирования топографических поверхностей М.: ЦНИИГАиК,1984, вып.1 с. 67

53. Мовшович Э.Б., Кнепель М.Н., Черкашин М.С. Формализация геологических данных для математической обработки М.: Недра, 1987.

54. Managing a GIS ESRI Redlands, California, USA.120