автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.01, диссертация на тему:Прогнозирование сдвижений и деформаций при многократных подработках земной поверхности на угольных месторождениях

РГБ ОД

На пранах рукописи

Барсуков Иван Васильевич

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ МНОГОКРАТНЫХ ПОДРАБОТКАХ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ

Специальность 05 . 15.01- Маркшейдерия

Автореферш диссертации на соискание ученой степени кандидата технических па\'к

Екатеринбург - 1996

Работа ныполнена к Уральском филиале Государственного научно -исследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского . дела (ВНИМИ) и Уральской государственной горно-геологической академии.

Научный руководитель - доктор технических наук , профессор

Туринцев Ю.И.

Официальные оппоненты : доктор технических наук , профессор

Сашурин А . Д . ;

кандидат технических наук Крушатин Р . Ф .

Ведущая организация - АООТ "Уралгипрошахт",

г. Екатеринбург

Защита диссертации состоится декабря 199'5г. в /У час.

на заседании диссертационного совета К 063 . 03 . 03 в Уральской государственной горно - геологической академии по адресу : 620144, г.Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральской государственной горно - геологической академии.

Автореферат разослан 2г - ноября 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

«</ В . П . Тюлькин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ Современный этап разработки угольных месторождений Урала характеризуется выемкой свит пластов , доработкой запасов в сложных горно-геологических условиях и различного рода целиках , среди которых значительную долю составляют предохранительные целики под здания , сооружения и природные объекты Всего в зонах опасного влияния лодземны> горных работ на охраняемые объекты в АООТ "Челябинскуголь" , "Кизелуголь" , "Вахрушевуголь" , "Воркутауголь" и "Интауголь" находится свыше 200 млн. т угля . Ведение горных работ в опасных зонах и под охраняемыми объектами связано главным образом с безопасностью и рациональным использованием недр .

Отработка свит пластов угля сопровождается многократной нарушенностью подрабатываемой толщи горных пород и активизацией процесса сдвижения горных пород и земной поверхности . которая проявляется в значительном изменении параметров сдвижения и величин ожидаемых деформаций . В этих условиях на охраняемые объекты оказывают вредное влияние многие смежные очистные выработки , расположенные в одном пласте , и тем более в нескольких пластах свиты Однако условия проявления активизации и закономерности процесса сдвижения при многократных подработках остаются недостаточно исследованными для угольных месторождений Урала , где свиты отличаются от других бассейнов условиями залегания , количеством и мощностью отрабатываемых пластов Оптимальный выбор мер охраны подрабатываемых сооружений и поиродных объектов возможен только на основе установления закономерностей и параметров проиэсса сдвижени? горных I ород и земной поверхности при повторных и многократных подработках с учетом конкретных горно-геологических особенностей.

Успешное решение вопросов безопасной выемки угля под охраняемыми объектами существенно зависит от надежности и точности предрасчета величин сдвижений и деформаций земной поверхности , которые , в свою очередь , определяются полнотой учета горно-геологических факторов и особенностей конкретного бассейна в общих закономерностях процесса сдвижения .

В этой связи выявление закономерностей процесса сдвижения и прогнозирование деформаций при многократных подработках земной поверхности представляется актуальным для угольных месторождений Урала .

Базой натурных наблюдений и экпериментальных исследований были шахты Челябинского , Кизеловского , Печорского угольных бассейнов и Буланашского угольного месторождения , отличающиеся многообразием горно-геологических условий и форм сдвижения горных пород и земной поверхности при подземной разработке свит " .пластов .

Исследования по теме диссертационной работы проведены автором в процессе выполнения НИР отраслевого плана ВНИМИ в соответствии с программой Минуглепрома СССР на 1985-90 гг. (НИР 0239035000 , N Г.Р. 1870001110 ; НИР 0293148000 , N Г.Р. 01860129918, НИР 025603500, N Г.Р. 1 1025610) ; в соответствии с ЦКОП N 20 Минуглепрома СССР на 1981-85 гг. (НИР 0202000,N Г.Р.

1840007757), а также ряда хоздоговорных НИР с АООТ "Челябинскуголь", "Кизелуголь", "Вахрушевуголь".

ЦЕЛЬ РАБОТЫ состоит в установлении закономерностей процесса сдвижения земной поверхности в условиях ее многократных подработок и разработке на этой основе метода прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности , учитывающего активизацию процесса сдвижения горных пород и земной поверхности для обоснования планирования горных работ под охраняемыми обьектами.

ИДЕЯ РАБОТЫ заключается в комплексности учета факторов , влияющих на активизацию процесса сдвижения при прогнозировании сдвижений и деформаций земной поверхности в условиях ее многократных подработок при разработке свит пологих и наклонных пластов угля.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ : анализ факторов , влияющих на величины сдвижений и деформаций и их распределение в мульде при подземной разработке свит угольных пластов ; определение характера деформирования пород в различных зонах влияния очистных выработок при разработке свит угольных пластов на Уральских месторождениях ; разработка методики прогнозирования сдвижений и десЪормаций земной поверхности , учитывающей активиэаф ю процесса сдвижения при многократных подработках ; использов. ние закономерностей сд-ижений деформаций в краевых частях мульды сдвижения и над краевыми частями смежных лав для текущего и перспективного планирования горных работ обеспечивающего безопасность их ведения и сохранность подрабатываемых объектов.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ: метод инструментальных наблюдений за сдвижением реперов профильных пиний , заложенных на земной поверхности и а подрабатываемых горных выработках; метод частотных наблюдений за сдвижением реперов , заложенных в слоях подрабатываемого массива горных пород , вскрытых скважиной.

Обработка данных наблюдений производилась статистическими методами , а их обобщение - с использованием основных положений горной геомеханики .

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ , защищаемые в диссертационной работе,и их новизна :

зависимость деформаций расширения горных пород учитывающая многократную подработку земной поверхности для основных схем отработки'свит пластов , отличающаяся нелинейным характером и позволяющая учитывать активизацию процесса сдвижения при прогнозировании сдвижений и деформаций для назначения мер охраны подрабатываемых зданий и сооружений ;

способ прогноза сдвижений и деформаций при многократных подрпботхах земной поверхности для планирования горных работ под охраняемыми зданиями , сооружениями и природными объектами .

отличающийся тем , что учитываются рапределение деформаций в подработанной толще горных пород, особенности развития и степень активизации процесса сдвижения , зависящие от суммарной мощности ранее отработанных пластов в свите и мощности первично подрабатываемого междупластья ;

методика расчета сдвижений и деформаций земной поверхности в краевых частях мульды и на границе смежных лав , отличающаяся тем , что учитывается закономерность затухания деформаций с увеличением глубины горных работ и активизация процесса сдвижения , зависящая от размера межлавного целика и соотношения горнотехнических параметров отработанной лавы .

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ . Предложенный метод прогноза сдвижений и деформаций при разработке свит пластов на месторождениях Урала повышает надежность и обоснованность принимаемых решений по выемке угля под сооружениями и природными объектами.

ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ , выводов И РЕКОМЕНДАЦИЙ обеспечивается представительным объемом натурных инструментальных наблюдений , проведенных на 112 специальных наблюдательных станциях , 5 из которых были комплексными , состоящими из профильных линий на земной поверхности и скважин с глубинными реперами на шахтных полях угольных месторождений Челябинского , Кизеловского , Печорского бассейнов и Буланзшского месторождения ; удовлетворительными результатами сопоставления расчетных и фактических значений величин сдвижений и деформаций земной лсзерхности и промышленной проверкой методик прогнозирования , разработанных по результатам инструментальных наблюдений .

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Основные результаты исследований , полученные автором , доведены до практического использования путем выдачи более 40 заключений и рекомендаций шахтам Урала для расконсервации запасов угля под поселками , отдельными зданиями , промышленными и природными объектами . Общий фактический экономический эффект, полученный на шахтах АООТ'Челябинскуголь", составил 95 тыс.рублей (в ценах 1988 г.) .

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ . Основные положения работы доложены и одобрены на : Всесоюзном научно-техническом совещании "Научно-технические проблемы повышения эффективности работ и совершенствования маркшейдерской службы на горных предприятиях страны" ( г. Свердловск , 1984г. ) ; научно - технических конференциях: "Состояние исследований геомеханических процессов и влияние их внедрения нэ эффективность отработки месторождений Урала (г. Свердловск, 1985г. ) ; "Совершенствование технологии и техники горных и геолого-разведочных работ на Урале" ( г. Свердловск , 1985г.);

"Ускорение научно-технического прогресса горных и геологоразведочных работ на Урале на основе технического перевооружения предприятий и экономики минеральных ресурсов" ( г. Свердловск , 1986г. ) ; "Ускорение научно-технического прогресса а горном деле и

геологии на основе применения новых технологий " ( г. Свердловск , 1987г. ) ; "Внедрение результатов научных исследований на горных и геолого-разведочных предприятиях Урала" ( г. Свердловск , 1988г. ) ; на кафедре маркшейдерского дела Уральской государственной горно -геологической академии (г. Свердловск , 1987 , 1996 гг. ) ; на научно -техническом совете Уральского филиала ВНИМИ ( г. Свердловск , 1986 - 1996 гг. ) .

ПУБЛИКАЦИИ По результатам выполненных исследований опубликовано 14 работ , в том числе два авторских свидетельства на изобретения .

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ . Диссертационная работа состоит из введения , 5 разделов , заключения и содержит 130 страниц машинописного текста , 44 рисунка и 19 таблиц. Список использованных источников включает 101 наименование .

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

К настоящему времени исследованиями горно-геологических и горно-технических факторов , влияющих на параметры и величины сдвижения горных пород , установлено , что процесс сдвижения подработанной толщи проявляется в совокупности различных фозм: опускания пород под действием собственного веса в форме прогиба слоев , оседания толщи вследствие сжатия слоев под действием опорного давления , сдвига пород по плоскостям напластования слоев, отрыва и обоушения пород кровли пласта и их сползания и др. Характер сдвижения горных пород обусловлен сочетанием его форм и горно - геологических факторов : физико - механических свойств и структуры горных пород , угла падения , глубины разработки и мощности пласта , мощности наносов , степени нарушенности толщи (повторные и многократные подработки) , размеров выработанного пространства и системы разработки .

Большой вклад в установление основных форм и общих закономерностей процесса сдвижения внесли С.Г.Авершин,

A.Г.Акимов, В.И.Борщ-Компониец , Е.В.Бошенятов , А.С.Ведяшкин,

B.Н.Земисев , М.А.Иофис , Д.А.Казаковский , Ю.А.Кашников,

C. П.Колбенков, М.В.Короткое , Р.Ф.Крушатин , М.А.Кузнецов

A.Н.Медянцев , С.А.Медянцев , Р.А.Муллер , И.А.Петухов

B.П.Самарин , А.Д.Сашурин , А.Г.Шадрин, А.С.Ягунов и др.

Анализ изученности вопроса показал следующее : учет совокупного влияния всех действующих факторов на многообразие проявлений процесса сдвижения является очень сложным делом ; решением отдельных задач по предрасчету сдвижения в различных условиях отработки свит пластов угля , с возрастающей достоверностью получаемых результатов , можно решить вопросы охраны подрабатываемых объектов ; во ВНИМИ разработаны методические документы по прогнозу и оценке влияния подземных горных работ на сдвижение земной поверхности и деформирование зданий и сооружений , но закономерности , справедливые для таких крупных бассейнов , как Донбасс и Кузбасс , требуют уточнений и

дополнений для условий месторождений угля на Урале недостаточно изучен характер деформирования подрабатываемой толщи горных пород , особенно при многократных подработках земной поверхности ; повторная и последующие подработки горных пород сопровождаются активизацией процесса сдвижения , учет которой в существующих методиках прогноза разработан недостаточно полно и на месторождениях угля на Урале практически не производится ; недоучет особенностей процесса сдвижения при многократных подработках в практических решениях вопросов по охране зданий и сооружений приводит как к необоснованной потере запасов угля в предохранительных целиках , так и к значительному деформированию охраняемых сооружений .

Результаты инструментальных наблюдений за сдвижением земной поверхности на наблюдательных станциях и за смещением глубинных реперов , заложенных в скважины , показывают многократная подработка горных пород и земной поверхности при наличии смежных очистных выработок оказывают определяющее влияние на величины деформаций и их распределение в мульде сдвижения за счет активизации процесса сдвижения . Активизация проявляется в отличном по сравнению с первичной подработкой характере деформирования подрабатываемых слоев горных пород , распределении сдвижений и деформаций и изменении их величин ; степень проявления активизации существенным образом зависит от мощности междупластья , первично подрабатываемого данным разрабатываемым пластом , размеров выработанного пространства лав , как в данном пласте , так и в вышележащих , ранее отработанных пластах свиты или от степени подработанности земной поверхности , взаимного положения очистных выработок в вынимаемых пластах ; сравнение фактических величин деформаций с расчетными по существующим методикам пр/. подработке земной поверхности несколькими очистными выработками во многих случаях показывает значительное расхождение фактических и расчетных величин ; величины и распределение деформаций при повторных подработках отличаются от значений деформаций и их распределения в мульде сдвижения в аналогичных горнотехнических условиях первично подрабатываемой толщи при общем сокращении продолжительности процесса сдвижения ; отработка угля смежными лавами сопровождается активизацией процесса сдвижения на их границе , проявляющейся в распределении и величинах деформаций в мульде сдвижения .

Исследования характера деформирования подрабатываемой толщи горных пород позволили установить следующее непосредственно над очистной выработкой при выемке угольного пласта происходит последовательное обрушение горных пород , которое сопровождается их разрыхлением и последующим уплотнением , что определяет изменение объема горных пород в процессе их деформирования ; изменение объема подработанных пород в зоне обрушения можно характеризовать линейным коэффициентом разрыхления , полученным на основе данных о смещениях глубинных реперов в скважинах в Челябинском и Кизеловском бассейнах , Интинском и Буланашском месторождениях

угля . Изменение коэффициента разрыхления К с удалением от

Р

кровли пласта получено при полной подработке земной поверхности, средней глубине горных работ Н < 200 м , угле падения Ot < 30° , мощности Ш < 3,5м и выражается зависимостью

кр = l + 0.75exp(-0.25h/m) , О)

где К - коэффициент разрыхления горных пород в зоне Р

обрушения ;

h - высота от кровли пласта до репера , м ;

ГТ1 - вынимаемая мощность пласта , м .

Величина коэффициента разрыхления является максимальной согласно выбора исходной информации (момент максимальной скорости смещения репера) . С увеличением h/m наблюдается уменьшение коэффициента разрыхления. Анализ изменения величины коэффициента разрыхления показывает , что наибольшее разрыхление подработанных пород распространяется на высоту , не превышающую 6-8 мощностей пласта .

Разрушение пород в зоне интенсивных расслоений и разделение массива на блоки , которые опираются на обрушенные породы и создают пригрузку совместно с деформирующимися вышележащими слоями , способствуют значительному уплотнению обрушенных пород . Согласно данных наблюдений в условиях получения закономерности (1) уплотнение горных пород в зоне обрушения характеризуется убывающей функцией и измек^ние коэффициента разрыхления показывает , что наиболее интенсивно процесс уплотнения происходит

при Ih/m <60 j Где 1. расстояние от скважины до забоя лавы , м. В

тех случаях , когда lh/m>60 , создаются условия более равномерной пригрузки со стороны вышележащих пород и уплотнение в зоне обрушения имеет менее интенсивный характер . Выше зоны обрушения подрабатываемый массив горных пород деформируется над ней с разделением на блоки по нормальносекущим трещинам и плоскостям слоистости .

Высота зоны интенсивных расслоений не превышает 20-30 мощностей пласта . Высота распространения нормальносекущих трещин в подработанном массиве в основном зависит от вынимаемой мощности пласта и размеров выработанного пространства . Характер такой зависимости с достаточной надежностью позволяют оценить данные наблюдений за потерей промывочной жидкости в заиловочных скважинах , пробуренных через подработанную толщу пород Зависимость получена по данным непосредственного натурного определения зоны фильтрации в скважинах , пробуренных через толщу , нарушенную выемкой 1-2 слоев пластов на различных горизонтах ведения горных работ Размеры выработанного пространства выражены через эквивалентный

пролет D^ = /-y/ö^-f-D^ ,а npn40<D; <140 м зависимость

между высотой зоны водопроводящих трещин , мощностью пласта и размерами выработанного пространства получена в виде

Нт = т(0.4Оэ-Ю) , (2)

где Оэ -величина эквивалентного пролета очистной выработки , м ;

Н-р -высота зоны водопроводящих трещин , м ;

0^02 - размер очистной выработки соответственно вкрест

простирания и по простиранию пласта, м .

При увеличении эквивалентного пролета до 40 м высота зоны водопроводящих трещин не превышает 4-8 мощностей пласта , что соответствует высоте зоны обрушения Дальнейшее возрастание пролета приводит к значительному увеличению высоты зоны водопроводящих трещин . При величинах пролетов от 40 до 140 м высота зоны водопроводящих трещин достигает максимальных значений . При эквивалентном пролете в 120-140 м дальнейшего развития зоны водопроводящих трещин по имеющимся данным не наблюдается . При выемке второго слоя существенного увеличения зоны водопроводящих трещин не происходит по сравнению с зоной , образовавшейся после выемки первого слоя при одинаковых значениях пролета . Наибольшая высота зоны водопроводящих трещин достигает 30-40 мощностей пласта при величине эквивалентного пролета более 120 м. Практическое равенство размеров зон техногенных трещин при первичных и повторных подоаботках свидетельствует о том, что расширение повторно подрабатываемого массива горных пород не превышает или меньше, чем расширение массива,подработанного одним пластом .

Для средних относительных деформаций ргсширения подрабатываемой толщи горных пород в условиях Уральских угольных месторождений получена зависимость , представленная на рис."1. Анализ основных горно - технических факторов , влияющих на активизацию процесса сдвижения земной поверхности, дает следующую зависимость изменения деформаций расширения многократно подработанной толщи горных пород :

к = е£/ер = ^0.8+16.711 £ т/Н2Б^ , (3)

где к - соотношение деформаций расширения при "первичной и повторной подработке массива горных пород ;

8" - деформации расширения повторно подрабатываемого

массива горных пород , 1*10-3 ;

Ер- деформации расширения первично подрабатываемого

массива пород , 1*Ю-3 ;

И - мощность междупластья , м ;

п

£ГП - суммарная мощность вышележащих отработанных

¡=1

пластов,м ;

Н - средняя глубина горных работ в данном пласте , м

расширения подработанной толщи горных пород от отношения высоты зоны полных сдвижений к вынимаемой мощности пласта :

1- Воркутинское месторождение (наносы более 75% от глубины); 2 - Челябинский бассейн и Буланашское месторождение ; 3 - Интинское месторождение ; 4 - Воркутинское месторождение (наносы менее 75% от глубины); 5-Кизеловский бассейн (без известняков в толще пород) ; 6 - Кизеловс-<ий бассейн (с известняками в толще пород)

Как показывает соотношение деформаций расширения массива горных пород при повторной подработке к деформациям расширения первично подрабатываемой толщи, оно является наименьшим при слоевой выемке пластов , когда мощность междупластья практически равна нулю .

Разработанная методика расчета сдвижений и деформаций при многократных подработках земной поверхности включает : расчет макЬимальных величин сдвижений и деформаций земной поверхности; эаспределение и величины сдвижений и деформаций в краевой части мульды сдвижения ; расчет сдвижений и деформаций на границе смежных очистных выработок ; прогноз вероятных сдвижений и деформаций земной поверхности при перспективном планировании горных работ ; оперативный прогноз сдвижений и деформаций с использованием результатов наблюдений .

При определении структуры взаимосвязи основных параметров, определяющих величины сдвижений земной поверхности, применен прием , основанный на рассмотрении процесса сдвижения как функции соотношения сил , вызывающих увеличение расширения подработанной т<злщи, и сил препятствующих этому После преобразований получена структура взаимосвязи основных параметров , определяющих величину вертикального сдвижения земной поверхности , в следующем виде :

tricosa

D,D2

i

(э, со*а)(50+0.3Н)

дание земной пове| :я по формуле

11т = В0тс<*а[1~ехр(~2р:

= Р (4)

Максимальное оседание земной поверхности при первичных подработках определяется по формуле

«2 ^

(5)

гдеТ)т - максимальное оседание земной поверхности, мм ; ГП -вынимаемая мощность пласта , м ; СС - угол падения пласта , град. ; Н- средняя глубина разработки , м ; g0 - относительное максимальное оседание .

Относительное максимальное оседание земной поверхности на угольных бассейнах и месторождениях Урала принимается следующим: Челябинский бассейн - 0.85 ; Кизеловский бассейн при наличии в толще известняков - 0.4 , а при отсутствии в толще известняков - 0.6 ; Воркутинское месторождение - 0.6£ ; Интинское месторождение - 0.7 ; Буланашское месторождение - 0.85 .

Среднее квадратическое отклонение расчитанных значений максимального оседания от фактических составляет 10% .

Деформации расширения подработанного массива максимальны на уровне пласта и уменьшаются по мере удаления от кровли очистной выработки . Распределение деформаций расширения подработанного массива аппроксимируется следующей функцией :

ех = 3ерехр(-3х/н) , (6)

где Бх - дефомации расширения подработанного г.-ассива, 1-10 ; X - абсцисса точки , м .

Анализ степени активизации процесса сдвижения .и определяющих ее горнотехнических факторов позволил составить основные схемы ее проявления , которые в свою очередь явились основой для разработки методики расчета сдвижений и деформаций с учетом активизации процесса сдвижения земной поверхности при многократных подработках .При повторной подработке , учитывая (3) и (6) , интегрирование деформаций по глубине и в пределах первично подрабатываемой мощности пород приводит к следующему виду выражения для добавочного оседания :

а) при полной подработке земной поверхности

11А = з(1-к)ерН, , (7)

где Т|д - оседание земной поверхности за счет активизации, мм; Н1 - глубина горных работ для ренее отработанного пласта,м; к - коэффициент пропорциональности ;

б) при неполной подработке земной поверхности

Лд = 3{1-к)бр[н02-(н2-н1)] (8)

Выражение (7) справедливо для схем отработки свит пластов , показанных на рис.2,а,б.Увеличение оседания земной поверхности максимально , по сравнению с первичной подработкой , при слоевой выемке пластов , когда повторное расширение подрабатываемой толщи горных пород в пределах зоны полных сдвижений минимально . По мере уселичения мощности междупластья , а значит(и мощности первично подрабатываемых пород (см.рис.2,б) общее

расширение толщи увеличивается , что ведет к уменьшению величины добавочного оседания .

Выражение (8) получено для условий неполной подработки земной поверхности как действующей лавой , так и вышележащими ранее отработанными очистными выработками (см.рис.2,в,г) .При размерах междупластья И , превышающих высоту зоны полных сдвижений Н от действующей очистной выработки , активизации

процесса сдвижения не происходили расчет сдвижений и деформаций земной поверхности можно производить без учета предыдущих подработок .

При соотношении Н02>Н01 , т.е. когда высота зоны полных

сдвижений над действующей очистной выработкой превышает высоту зоны полных сдвижеи.1Й в вышележащих ранее отработанных пластах (см.рис.2,е,д) , Еыражение для определения добавочного максимального оседания принимает вид :

где Н01 , Н02 - высота зоны полных с движений над действующей очистной выработкой при первичной и повторной подработках земной поверхности, м .

Для угольных бассейнов и месторождений Урала коэффициент к получен следующим : Челябинский бассейн - 0.8; Интинское месторождение - 0.6; Буланашское месторождение - 0.8; Кизеловский бассейн и Воркутинское месторождение - 0.4 При расчете с использованием формул (7) , (8) и (9) точность определения сдвижений и деформаций земной поверхности увеличивается в среднем в 1.5 - 2 раза .

Формулы для определения добавочного оседания , а также горизонтальных сдвижений , горизонтальных деформаций , наклонов и кривизны подрабатываемой земной поверхности разработаны для всех основных схем проявления активизации сдвижения при повторных подработках , рассмотренных в работе .

Наиболее характерным участком мульды сдвижения является ее краевая часть , где наблюдаются максимумы положительной кривизны и горизонтальной деформации растяжения и где наиболее часто расположены охраняемые объекты . Точки с максимальной кривизной

а-) Ъ)

в) г)

А) •-/)

Рис.2. Основные схемы отработки пластов :

а) , 6) - полная подработка земной поверхности отрабатывемым пластом; в), г) - неполная подработка земной поверхности отрабатывемым пластом ; д) , е) -неполная подработка земной поверхности как отрабатывемым пластом , так и ранее отработанными пластами

изгибающихся слоев располагаются в горном массиве на вертикальном разрезе по линии , нормальной к напластованию и при пологом залегании пластов находятся над границей очистной выработки .

По данным инструментальных наблюдений и анализа, типовых кривых распределения оседаний получена зависимость представленная на рис.С., которая показывает , что оседание в точке максимума положительной кривизны и горизонтальной деформации растяжения составляет 27% от максимального оседания в мульде сдвижения земной поверхности .

^К.М

СМ

О 0,4 0,4 1,2 1,6 1т .м-

Рис.3.Зависимость оседания в точке максимума положительной кривизны от максимального оседания в мульде сдвижения :

о - Челябинский бассейн Интинское месторождение ; • - Буланашское месторождение Кизеловский бассейн

о о с о о° з о^-— Й с •

Тб1 . ""д

Распределение вертикальных и горизонтальных деформаций в краевой части мульды сдвижения подчиняется экспоненциальному закону и выражается следующей зависимостью :

г\. =Лкехр

V

Ь

5,=£кехр

V

(10)

V

где Ль 5

X

к ' ^к части пласта

оседания и горизонтальные сдвижения в краевой мм ; Т| • " сдвижение в точке

максимума положительной кривизны и горизонтальной деформации растяжения, м ;

- абсцисса точки (за начало координат принята точка максимума положительной кривизны ) , м ;

- коэффициент затухания сдвижений земной поверхности , м

Используя известные свойства кривых сдвижений и деформаций, получены следующие формулы для расчета наклонов , кривизны и

горизонтальных деформаций в краевой части земной поверхности :

мульды сдвижения

¡. = ехр

Х1 Ь,

<_хр

Ь2

V

\

X Ьу

е.

Ь

ехр

Х1 Ь,

(11)

Коэффициент затухания был определен по инструментальным

наблюдениям на 47 профильных линиях с глубиной горных работ от 40

,„о

до 400 м , с углом падения пластов до и вынимаемом мощностью от 1 до 3,5 м при первичной и многократных подработках земной поверхности .

Изменение коэффициента затухания с глубиной горных работ характеризуется зависимостью

Ь = а7н

(12)

гдеЗ- коэффициент пропорциональности , определенный для

глубин у нижней или верхней границ очистной выработки при первичных и повторных подработках земной поверхности. При повторной подработке коэффициент Н равен 2.25 , а при первичной для полум^льды по восстанию - 3.15

Сравнение фактических и расчетных ветичин сдвижений и деформаций произведено по результатам инструментальных наблюдений на профильной линии 2 , заложенной на подрабатываемой территории Копейского машиностроительного завода . Графики фактических и расчетных горизонтальных деформаций и оседаний земной поверхности за период наблюдений с 1988 по 1995 гг. приведены на рис.4. За этот период наблюдений шахтой "Центральная" АООТ "Челябинскуголь" отработано 4 пласта пятью очистными выработками .

На основе инструментальных наблюдений выделены основные схемы деформирования земной поверхности в зависимости от интенсивности проявления активизации процесса сдвижения при отработке пластов смежными лавами . Наблюдения при отработке пласта смежными лавами дают иное распределение сдвижений и деформаций в мульде , чем при отработке пласта изолированной лавой .

Величина оседания над срединой целика , вызванного активизацией сдвижения при отработке пласта смежными выработками, составляет:

(ь-к^-О-к,)-

(13)

к

V

ч

Горизонтальные деформации

№ репера

X , м

31 —н

с

25

125

Оседания

16

250

1С

331

100 у/

200 //& 300 /

1,ММ

Рис.4. Графики фактических и расчетных горизонтальных деформаций и оседаний земной поверхности по профильной линии 2 на территории Копейского машиностроительного завода : 1,2- соответственно фактические и расчетные сдвижения и деформации

гдеТ)£ - оседание над срединой целика между смежными

очистными выработками , мм ; Л - максимальное

•т

оседание от действующей очистной выработки , мм ; Ь - размер целика между смежными очистными

выработками , м ; - предельный размер целика , при котором не происходит активизации процесса сдвижения, м; к - коэффициент пропорциональности . Для угольных бассейнов и месторождений Урала коэффициент к получен следующим : Челябинский бассейн - 0.7; Интинское

месторождение - 0.6; Буланашское месторождение - 0.6; Кизеловский бассейн и Воркутинское месторождение - 0.38 .

Максимальные значения величин горизонтальных сжимающих и растягивающих деформаций над границей смежных очистных выработок определяются , исходя из степени подработанности земной поверхности действующей выработкой , по формуле

8« =а (к^/Н^ . (и,

где <1 Ь , к " К0ЭФФиЧиенть' пропорциональности .

Для условий угольных месторождений Урала коэффициент к7

составляет : Челябинский бассейн - 0.9, Интинское месторождение -0.7; Буланашское месторождение - 0.9; Кизеловский бассейн - 0.65 .

Значения коэффициентов и принимают равными : для

расчета горизонтальных деформаций растяжения 20.0 и 2.5 , а для деформаций сжатия 25.5 и 2.5 .

Горизонтальные деформации земной поверхности над границей смежных лав д^Тигают наибольших значений , когда отношение размера целика между выработками 1 к средней глубине его

залегания Н^ составляет 0.1 < /Нц^созОС. < 0.6 при полной подработке земной поверхности действующей очистной выработкой .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной задачи разработки прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности при отработке свит пластов угля .

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

1. Рассмотрен характер деформирования пород в различных зонах подработанной толщи и дана количественная оценка степени их деформирования . Получено , что уплотнение обрушенных пород в зоне интенсивных обрушений до первоначальной плотности не происходит , что сказывается на средней величине расширения подработанного массива .

2. Показано , что расширение подработанного массива горных пород обусловлено его упругим восстановлением и разуплотнением в зоне полных сдвижений при обрушении , расслоении и трешинообразовании и количественно зависит от кратности подработки. Показателем, характеризующим максимальное остаточное расширение подработанной толщи горных пород , является общеизвестный коэффициент относительного максимального оседания, определенный для каждого угольного бассейна и месторождения .

3. На основе натурных данных о сдвижении земной поверхности при подземной разработке свит угольных пластов выявлено соотношение , связывающее величину расширения подработанного массива горных пород при первичных и последующих подработках .

4.Составлены схемы проявления активизации процесса сдвижения при повторных подработках земной поверхности , и рассмотрена степень влияния на нее основных горно-геологических и горно-технических факторов.

5. Выявлено , что при повторной подработке продолжительность процесса сдвижения массива горных пород сокращается по сравнению с первичной подработкой и приведено количественное различие временных параметров процесса сдвижения .

6. Разработан способ прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности при многократных подработках для текущего и перспективного планирования горных работ под охраняемыми зданиями , сооружениями и природными объектами , отличающийся тем , что учитываются особенности развития процесса сдвижения при повторных подработках , степень активизации сдвижения , зависящая от суммарной мощности ранее отработанных пластов в свите и мощности первично подрабатываемого междупластья .

7. Разработана методика расчета сдвижений и деформаций в краевых частях и на границе смежных лав , отличающаяся тем , что учитывается закон затухания деформаций и определяется мульда активизации , что позволяет производить обоснованный выбор мер охраны объектов от вредного влияния разработки свит угольных пластов .

8. Внедрение результатов исследований в виде рекомендаций и заключений в производство на шахтах АООТ "Челябинскуголь" позволило получить фактический экономический эффект 95 тыс. руб. (в ценах 1 988г.) .

Основные положения диссертационной работы изложены в следующих источниках :

1. Барсуков И.В. Факторы , влияющие на активизацию процесса сдвижения при разработке свит пологих пластов в условиях Челябинского бассейна // в кн. "Научно- технические проблемы

повышения эффективности работ и совершенствования маркшейдерской службы на горных предприятиях страны" . Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического совещания.-Свердловск. -1984.-С. 97-98 .

2. Летов С.А. , Голотвин А.Д. , Барсуков И.В. Определение величин максимального оседания земной поверхности // в кн. "Научно- технические проблемы повышения эффективности работ и совершенствования маркшейдерской службы на горных предприятиях страны" . Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического совещания. -Свердловск.-1 984.-С. 96-97 .

3. Летов С.А. , Голотвин А.Д. , Барсуков И.В. Определение максимального оседания земной поверхности .// Изв.вузов.Горный журнал.-1984,- N10.-С.42-44.

4. Барсуков И.В. , Голотвин А.Д. Расчет деформаций в краевой части мульды сдвижения при выемке пологих пластов угля // Изв. вузов. Горный журнал .- 1986 .- N3 .-С. 42-44.

5. Морин C.B. , Барсуков И.В. Характер деформирования подработанного массива горных пород в зоне обрушений и интенсивных расслоений // Изв. вузов. Горный журнал .-1987 .- N9. -С. 39-41.

6. Барсуков И.В. Калентьева Л.Г. Учет .активизации процесса сдвижения при планировании горных работ // Изв. вузов.Горный журнал.-1989,- N3.-С.-3-47.

7. Калентьева Л.Г. , Барсуков И.В. , Голотвин А.Д. Взаимосвязь высоты зоны водопроводящих трещин подработанной толщи с размерами выработанного пространства в Кизеловском бассейне // в кн. "Проблемы повышения эффективности маркшейдерских работ на горных предприятиях" Межвуз. научн. темат. сб. - Свердловск.-1988. -С. 71-75.

8. Калентьева Л.Г. , Барсуков И.В. . Прогноз подтоплений земной поверхности при отработке свиты пластов на Буланашском угольном месторождении // в кн. "Вопросы рационализации маркшейдерской службы на горных предприятиях ". -Свердловск .-1989 .-С. 65-70 .

9. Самарин В.П. , Барсуков И.В. , Образование полостей расслоения в подрабатываемом массиве горных пород // Изв. вузов. Горный журнал .-1990 .-N4 .-С. 34-37.

10. Калентьева Л.Г. , Барсуков И.В.. Влияние сдвижения земной поверхности на эксплуатацию транспорта . II в кн. "Эксплуатация лесовозного подвижного состава " . Межвуз. научн. темат. сб. Свердловск .-1990 .-С. 95-104.

11. Дягилев И.А. , Барсуков И.В. Характер и параметры сдвижения массива горных пород // Изв. вузов. Горный журнал .-1990.

-N4 .-С. 42-46.

12. Барсуков И.В. , Самарин В.П. Деформирование прибортовой полосы от совместного воздействия открытых и подземных работ // в кн. • "Проблемы повышения эффективности маркшейдерских работ иа горных предприятиях". Межьуз . научн . темат . сб . -Свердловск .-1990 .-С. 30-36.

13. A.c. N 1710749 , МКИ Е с 41/ 18 . Способ разработки свиты угольных пластов под водными объектами // Л.Г. Калентьева, И.В. Барсуков , А.Д. Голотвин . -СССР .-N 4812494/03 .-заявлено 30.01.90,-опубл. 07.02.92 . -Бюл. N 5.

14. A.c. N 1795124 , МКИ Е 21 Г 16/00 . Способ предотвращения затопления подрабатываемых участков земной поверхности грунтовыми и поверхностными водами // И.В. Барсуков , Л.Г. Калентьева .-СССР .-N 4816726 / 03 .-заявлено 06.02.90.-опубл. 15.02.93 .-Бюл. N 6.

О

л