автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Геомеханические основы предотвращения обрушений земной поверхности над ликвидируемыми шахтами.

НАЦЮНАЛЬНА АКАДЕМ1Я НАУК УКРА1НИ 1НСТИТУТ ГЕ0ТЕХН1ЧН01 МЕХАН1КИ

Р Г л -> • « ^ 1лч

2 А ГГ-п

ЗВЯГШЬСЬКИЙ Юхим Леошдович

ГЕОМЕХАН1ЧН1 ОСНОВИ ЗАПОБ1ГАННЯ ОБВАЛЕНЬ ЗЕМН01 ПОВЕРХШ НАД ШАХТАМИ, ЩО Л1КВ1ДУЮТБСЯ

05.15.11 - "Ф1зичн1 процеси прничого виробництва"

Автореферат дасертацп на здобуття наукового ступеня доктора техшчних наук

Дшпропетровськ - 2000

Дисергашсю е рукопис.

Робота виконана в Донецькому державному техшчному ушверситеть

Науковий консультант - доктор тсхшчних наук, професор НАЗИМКО BiKTO]

Вшторович, ДонДТУ, завщувач лаборатор!ею

Офщшш опоненти: Доктор техшчних наук, професор AJIEKCC€B Анатоли

Дмигрович, Вщщлення ф1зико-техшчних прничи: проблем ДонФТ1 HAH Украши i М1нтопенерго УкраУш: директор;

Доктор техшчних наук, старший науковш сшвроб1тник КУЛИНИЧ Вистор Степанович, IITN HAH Укра'ши, провщний науковий ствроб1тник;

Доктор техшчних наук, професо| ПАРЧЕВСЬКИЙ Леонщ Якович, Нацюнальн; прнича акаде.\пя УкраУни, професор кафедр! маркшейдерсько! справи.

Провщна установа - Укра'шський державний науково-дослщний проектно-конструкторський шститут прничо! геологи, гсомехашки маркшейдерсько! справи (УкрНДМ1), м. Донецьк.

Захист вщбудеться ГСУАНЛ 2000 р. о годит на засщанн спещал1зовано1 вчено'1 ради Д 08.188.01 в 1нсттуп геотехшчно\' мехашки НАР Укра'ши за адресою: 49600, м. Дншропетровськ, вул. Слмфсропольська, 2а, фак! (0562) 46-24-26.

3 дисертащею можна ознайомитися в б1блютещ 1нституту геотехшчно механши HAH Укра'ши за адресою: 49600, м. Дншропетровськ вул. Слмферопольська, 2а.

Автореферат розкланий " ^ "дисоицой 2000 р.

Вчений секретар спещал1зованоТ Вчено'1 ради, доктор техшчних наук

В.Г. Перепелиця

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальпкть теми. Земна иоверхня, що примикае до ствол ¡в шахт, ям огашаготься, представляе серйозну небезпеку для близько розташованих буд^вель, поруд i людей. На лшвщацио про ват ¡в i обвалень, повторну засипку ствола i мщнення оточуючого масиву часто noTpi6Hi багаторазов1 вкладення епередбачених коитв. Це шдтверджуюгь спостереження за станом численних окинених cтвoлiв, поверхня навколо яких регулярно провалюеться. За 40-50 i шьше рогав поблизу погашених ствол1в Шмеччини, 4exi'i, Pocii, Полыш, Голландп, а шших кра'щ, яю традигцйно здгйснюють вуглевидобуток, масово спостершаеться бвалення noBepxHi. Проблема набувае особливо! важливосп для Украши, де :айближчим часом на дшчих шахтах i тих, що закриваються, передбачаеться югашення бшьше за 150 вертикальних ствол ¡в i пов'язаних з ними виробок.

Головною причиною обвалень над погашеними стволами е поступова або ¿зка, погано передбачувана усадка закладеного матер]'алу. Спещалып обстеження ашше погашених ствол1в показують, що порщна засипка зазнае три вал oi усадки, ка досягае 40% i быьше в!д первинно! u висоти. Починаеться некероване обвалення тшок, яке заюнчуеться катастроф!чним провалом устя. На сьогодш мехашзм цього вища детально не досшджений. BiflOMi лише po3pi3HeHi спостереження за бваленням поверхн1 над погашеними шахтами в колшдньому СРСР i статистичний нгшз параметр]в провалов над покиненими шахтами неглибокого розташування в

;ша.

Через вщсутшсть наукових основ юяукш способи управлшня станом масиву [ад покиненими шахтами неефективш i не забезпечують безпеки споруд i об'еюпв ia noBepxHi. Постшка небезпека експлуатацн земно! поверхш, висош витрати на иквщацш наслщюв провал1В, обумовлюють особливу актуальность вивчення 1ехашзму довготривалих зрушень навколо погашенош або покиненого ертикального ствола. Тому створення геомехатчних основ запобп ання обваленнь i абезпечення спйкот земно! поверхш над погашеними шахтами е актуальною •ауково-прикладною проблемою, що мае важливе народногосподарське значения.

Тема дисертацн е складовою часганою НДР (номер держреестращ) I198U002310), що виконуеться в рамках тематичного плану Донецъкого державного ехшчного университету, а також розвитком наукових дослщжень по ранту UG1-308, наданому дьому ж ушверситету Мжнародним фондом цившьних [ослщжень i розвитку (CRDF, США).

1дея роботи полягае у використанш можливостей виб!ркового впливу на :ритичш дшьнищ масиву для управлшня його тривалими зрушеннями навколо ¡иробок, що погашаються, i запоо1гання ix передчасному обваленню.

Об'ектом дослвджень е стйтасть геомехашчно! системи, що складаеться погашено! виробки i прилеглого до не! масиву.

Предметом дослщжень е процеси зрушень прського масиву i обвалеш земно! поверхн1 над погашеними шахтами.

Метою роботи е створення геомехашчних основ запобкання обваленн земно! поверхш навколо виробок вугшьних шахт, що погашаються.

Задач! досгвджень полагали в наступному: 1) виконати теоретичний анах процесу тривалого обвалення то вин над погашеними шахтами на осно термодинампш незворотних npoueciii; 2) дослтдити особливост! мехашзму триваш зрушень та обваленнь товиц над погашеними або покиненими прничт виробками i навколо ствсшв з точки зору юнетики зрушень, динамши напружен деформованого стану, особливост1 руйнування i розщшънення товщ! та усад| засипки у 4aci i ш'д д1ею шдземних вод; 3) провести натурш дослвдження тривал! зрушень i обвалень над иоккненими шахтами i в погашених вертикальних ствола 4) розробити способи запобтання обваленню земно! поверхш i встановити рацюнальш параметри; 5) розробити методики вибору рацюнальних способ забезпечення стшкосп поверхш i визначити параметри Ti провалу в залежносп в вихщних прничо-геолопчних i прничотехшчних умов; 6) провести лромисло] перев1рку i еконолпчну оценку розроблених cnoco6ÍB.

Для р1'шення поставлених задач використовувалися наступи сучасн{ мсто; наукових досладжень: термодинамка незворотних процессе для теоретично1 анал1зу процеыв тривалого зрушення tobihí над погашеними шахтами i ощш пршщитв забезпечення стткосп поверхш; чисельш методи кшечних i дискретш елеменпв для досладження напружено-деформованого стану оточуючих norauiei виробку порад, физячне моделювання для вивчення кшетики тривалих зруше! навколо погашених виробок; методи натурних спостережень за зрушеннями масш у 4aci; методи штучного штелекту - нечтса лопка i нейронш мереж! для розробг методики вибору ращональних cnoco6ÍB забезпечення ctíííkoctí земно! поверх* методи економ1чних дослщжень на ochobí динам1чних моделей вугшьно! шахти Д! обгрунтування економшних витрат на реашзацйо розроблених choco6íb рекомендаций.

На захист виносяться наступи! пауков! положения:

1. Триваш зрушення прського масиву розвиваються у 4aci i в просто неупорядкованими одиничними обваленнями, внаслщок чого загальна висота 30i обвалення стрибкопод!бш зростае через нерегулярш ¡нтервали часу, при цьо?, практично немае статистично стшко! залежносп м1ж висотою кожного одинично! обвалення i часом його реалгзаци (коефвденг кореляцй' не бшьше 0,16), що св1дта про погану передбачувашсть розвитку руйнування у час!.

2. Тривале руйнування порщ навколо покиненого або погашеного вертикального стволу вщбуваеться в зош наносив у вигляд! накопичення пошкоджень пор)д, що примикають до уста стволу, з подальшим стохастичним формуванням несиметричного конуса обвалення. В глибиннш частит стволу, навколо ослаблених прошарюв порвд i \«сць порушення цшсностс кртлення, руйнування виникають виб1рково I по М1р1 розвитку тривалих зрушень порожнина обвалення перемвдуеться вгору, в кшдевому результат змикагочись з конусом обвалення устя стволу, що призводить до катастроф1чного провалу поверхнг

3. Стрибкопод1бшй просадш засипки погашеного стволу сприяе продес дренування вод, що призводить до штенсивного вимивання тонких фракцШ та к перерозподшу в нижню частину засипки. Як результат - тиск засипки не тшьки на дно стволу, але й на перегородки або упорш пробки зростае до величини, близь ко! до геостатично!, створюгочи реальш передумови для прориву засипки в шдземш виробки, що примикають до стволу.

4. Гривала стшысть поверхш, яка примикае до погашених прничих виробок забезпечуеться виб1рковим змщненням 1 посиленням стшок вертикальних ствол!в, що погашаються, а також самопщбутовкою покр!вл] виробок неглибокого розташування 1 змщненням або примусовим обваленням перекриваючого хх масиву прських порвд.

Наукова новизна отриманих результате полягае в наступному: уперше встановлеш законом1рносп змши режиму деформування та тривалого обвалення товип порщ над виробками неглибокого розташування 1 навколо погашених стбол1В в залежност! вщ кшетики розвитку руйнування у чaci, наявност! в товцц р13номщних шар^в порщ, розщшьнення 1 дезор1штацп фрагменте масиву, що руйнуеться, дренування вод; уточнений 1 науково обгрунтований мехашзм зрушень товпн навколо погашених ствол1в з урахуванням виб1рковост1 1 стохастичносп обвалень; вдосконалеш геомехашчш принципи забезпечення тривалоГ стшкост! поверхш, що примикае до погашених прничих виробок; уточнен! кшыасш значения сшввщношення товщини порщного перекриття виробок до 1х висоти, що визначаготь параметри мульди зрушення поверхш в мкцях т'дробкн останньоь

Наукове значения робота полягае у встановлешп закономгрностей тривалого обвалення пщроблено! товлп' 1 розкриги особливостей мехатзму зрушення то вин навколо погашених ствол1'в, що е базою для створення геомехашчних основ запоб1гання обваленгао земнох' поверхш над погашеними шахтами.

Практичне значения отриманих результата мктиться в:

- розробщ нових способ1в управлшня станом масиву над погашеними 1 покиненими прничими виробками;

- створенш експертно! системи вибору рацюнальних ртень по управлнппо прсыотм масивом над шахтами, що закрипаються;

- обгрунтуванш критерий стшкосп шдлягаючих консерваци стволгв параметр1в способ1в управления станом масиву в мюцях закритгя шахт;

- створепт конструкт! розшрного пристрою для посилення стшок стволу;

- розробщ тимчасових вказ1вок до погашения вертикальних ствол1в я. галузевого нормативного документу.

Результата розробок пройшли промислов! випробування 1 впроваджеш пр) погашены! вертикальних ствол)в в процеа закритгя шахт \ шахтоуправлш 1м. Фслжса Кона, Червона 3!рка, Куйбишевське, Мушкетаська-Вертикальна Швденно-Донбаська №1. Рекомендацн автора використаш шститутю Дондшрошахт при склад анш проекпв погашения вугшьних шахт Мушкеттська Вертикальна, Запереватьна№1, 60-р1ччя Укра1ни, шУу Червона Зipкa. Для умо: Зах1дно1 В1ргшп (США) розроблеш та передан! рацюнальш параметри технолог!! запобггання провалам земно! поверхш над погашеними похилими стволами покин сними шйхтол1я кеглибокого розташування. Тимчасов1 вказ1вки до погашена вертикальних стволов затверджеш теруправлшням Держнаглядсхоронпраш п< Донецькш облает! як нормагивний документ для ведения робгг по закриттю шаг ДК "Укрвуглереструктуризащя".

Приоритет в розробщ 1 розв'язанш проблеми, що розглядаеться, захшценш двома патентами Укра'ши.

Особистий внесок здобувача. Автором самостийно сформульована аде: робота, мета 1 задач! доелдакень, основш науков! положения, висновки 1 практичн рекомендацн. Ним розроблеш концепщя робота 1 и головш науково-техшчн принципи. Як вщповдальний виконавець експериментально-виробничо! частиш робота, автор брав безпосередню участь в постанови! дослщжень, вибор! метод1в проведенш модельних 1 шахтних експеримен'пв, розробщ способ!в забезпеченн; стшкосп поверхш над погашеними шахтами. За його безпосередньою участк виконаний анашз результате ф1зичного, математичного моделювання 1 шахтни: натурних спостережень. Основш висновки, що вщносяться до особливосте! мехашзму тривалих зрушень навколо погашених стволов 1 виробок неглибоког* розташування, автором зроблеш самосп'йао. Текст дисертацп викладений авторо» самосгшно.

Апробащя результат!» дисертацп проведена на Мжнародних конференщях по геомехашщ ! конструкщ'ям шдземних споруд (Вуллонгонг, Австрал!я, 1998) "Тиждень прника-99" (Москва, Рос!я, 1999); "Перспективи розвитку прничш технологга на початку третьего тисячолотя" (Алчевськ, 1999); "Проблеми перспективи використання геошформацшних технологий в прництвг (Дшпропетровськ, 1999); "Восьмий м!жнародний симпоз!ум по плануваннк прських робгг ! вибору обладнання" (ЮСЦиччя НГАУ, Дн!пропетровськ, 1999) 1В-й М!жнароднш конференцй" по управл!нню станом масиву г!рських пору

Моргантаун, США, 1999); МЬкнародному симпоз1у\п "Геотехшка-2000" (Устронь, 1ольща, 2000); Х-й МЬкнароднш науков1й школ! "Деформування i руйнування иатер!атв з дефектами i Д1ша\<пчш явища в ripcbKnx породах i виробках" (Алушта, 2000); 1-й МЬкнароднш науково-ирактичшй конференцп "Технолопчш проблеми юзробки родовищ мшерально! сировини в складних геотехнолопчних умовах" Тула, Рос1я, 2000).

Основт результата досгнджень опубл1Коват в 32 печатних роботах, з числа псих 23 у наукових фахових виданнях. Результати розробок захищеш 2 патентами Укра'ши.

Структура роботи. Дисертащя складаеться 13 вступу, 7 роздшв, висновюв, гписку л!тератури i3 295 найменувань; м!стить 372 cTopiraoi машинописного тексту, 192 малюнки, 9 таблиць та 4 додатки.

ОСНОВНИЙ 3MICTРОБОТИ

Анашз хснуючих уявлень про мехаш'зм тривалих зрушень поверхш над покиненими шахтами, cnoco6iB i технсиогш управлшня прським масивом показав, шо зрушення над погашеними або покиненими шахтами проходять протягом десяти в i навпъ сотень роюв. У той же час, детально дослщжент зрушення над виробленими просторами довгих очисних вибо'!в заюнчуються, в основному, через 3-28 млсящл в залежносп вщ глибини розробки. Мехаазму зрушень масиву i земнш поверхш навколо прничих po6iT присвячеш достижения вчених вггчизняних i зарубшних шституш. Значний внесок в розумшня механизму зрушень TOBini, и руйнування i розробку cnoco6iB управления станом гцдробленого масиву внесли тага вщолп вчеш i фах!вц!, як С.Г. Авершин, А.Д. Алексеев, АА. Борисов, А.Ф. Булат, М.С. Буличов, В.В. Виноградов, Ф.Н. Воскобоев, Ю.М. Гавриленко, В.Т. Давидянц, Ю.З. Зашавський, М.П. Зборщик, В.Н. Зем1сев, А.Н. 3opiH, ММ. Зоря, М.А. 1офю, Д.А. Казаковсысий, Ж.М. Канлибаева,

A.М. Козел, В.Г. Колесников, Г. Крага, B.C. Кулинич, С.М. Лшкович, Ф.1. Музафаров,

B.I. Мякенышй, Д.М. Оглоблш, Г.В. Орлов, Л .Я. Парчевський, I.M. Петухов, В.М.Проскуряков, М.М.Протод'яконов, С.С.Пенг, Д.С.Ростовцев, К.К. Софшський, Б.М. Усаченко, Ю.Б. Файнтштейн, П.М. Цимбаревич, Л.Д. Щевхков, E.I. Шемякин, 1.Л. Черняк, Г. Еверлшг, О. Якоб!, С.А Ярушн та шил. Однак проблема провалов, опускань i шших видав затриманих в час! деформацш земно! поверхш над погашеними шахтами практично не розглядалася. Цей факт констатуеться нормашвним документом "Правила охорони споруд ... ", де вказуеться, що у випадку затриманих деформацш тривашсть i характер зрушень визначаеться на основ! натурних спостережень, що означае вщсутшсть встановлених закономфностей тривалих зрушень. G окре;.и публжаци по статистичному анал!зу napaweTpiB проватв земно! поверхш над покиненими шахтами неглибокого розташування теля камерно-стовпово! розробки вугшля, хоч закожмрносп таких

зрушень також не встановлеш. 1снуюч) уявлення щодо мехашзму провашв, з точки зс автора, недостатаъо повно, а школи неадекватно тлумачать сугшсть явшца.

У ситуаци, що склалася, необхщно встановити загальш законом1рно< тривалих зрушень над покиненими шахтами, що найбшыы доцшьно зробити допомогою теоретичного методу, який володк широкою можливютю узагальнен воедино таких р!знор1дних процеив, як вичерпання довгов!чност1 пор накопичення пошкодження, розвиток тр1щинуватостс { !х тривале обвален! Потр1бно також вивчиги детально мехашзм тривалих зрушень над погашенш шахтами 1 його особливосп в шша перерозподшу напружень I деформац обвалення порщних шар1в, усадки засипки погашених cтвoлiв 1 ди на ва щ проце тдземних та паводкових вод. Тшьки на оснози цих досл!джень можна розроби рацшнальш способи запобкання обваленню поверхш 1 встановити !х параметри залежност! вщ початкових прничо-геолопчних 1 прничотехгачних умов. Виходат вищевикладеного, сформульоваш основн1 задач1 дослщжень.

Теоретичннй анализ процесу трнвалого обвалекня товы» над погашений шахтами показав, що тривале руйнування порщного масиву е типов1 безповоротним процесом накопичення пошкоджень 1 зрушень. Такий процес найбшьнг загальному виглядг описуеться термодинамжого незворотних процес Переваги термодинамгчного твдходу полягаютъ в можпивосп воображения всьо комплексу мшливих ф1зичних 1 мехашчних пол)в 1 чинниыв навколо маси прських порщ, що тривало деформуеться: процеив перерозподшу напр уже ( накопичення пошкодження в породах, !х обвалення; кшетики активних зрушень пронес! обвалення; тр1щинуватост1 { кускуватосп обвалених порщ.

Натурш обстеження обвалено! товпп порщ над покиненими виробка; дозволили встановити основш характеристики трвдинуватосп 1 розпушення маси! ям дали можлив!Сть врахувати початюш умови 1 параметри для теоретично аналазу тривалого процесу обвалення товсщ над покиненими виробками.

На основ1 анал1зу вщомого виразу ентропп прського масиву 5 показано, що один з визначальних критерив стшкост) масиву виступае поверхнева енерпя тршв та пустот. Залежшсть ентрош! гipcькoгo масиву вщ поверхнево! енерп! трпцин м вигляд:

X = к 1пА ехр(1/Т) [ВЕз, + СР2 + В], (

де А, В, С \ О - константа, що ыдображають властивоеп породи;

Е$1 - поверхнева енерпя, вщнесена до oдиницi об'ему зруйнованих порщ;

Р - середнш р1вень прського тиску.

к- стала Болыдаана.

Енерпя, вщнесена до об'ему, пропорщйна поверхш трцдин та пустот, ^агадаемо, що при змнп термодиначнчного стану слабо невр^вноважено! системи, юхщна enTponil за часом (так зване виробництво emponii) прагне до максимального ¡начення. Оскшьки тривал! зрушення товшц над покиненою шахтою е типовим пшйним термодииам1Чни,м процесом, можна прийняти, що Bei термодинамга-п сарактеристики в даному npoueci змшгоються насплыш повшьно, що його можна зозглядати як ланпюжок р^вноважних сташв. Це означае, що тиск та температура можуть бути прийнят1 ностшними, i тому иох1 дна буде залежати тЬьки вщ Ssj або ид поверхш тршц-ш та пустот.

Показано, що поверхнева енерпя трвдин та пустот може бути накопичена шаслщок вичерпання довгов!чност1 породи. Отже, триват зрушення поверхш над юкиненими шахтами можуть контролюватися питомою поверхнею тршшн i lonroBi'iHicTio порадних niapiB. Це означае, що чим бшьше значения Ssj, тим ближче ндроблений масив до стшкого або найбшьш В1ропдного свого стану. 3 ¿ншого боку, ¡бшьшення довгов1чност1 порщних uiapia призводить до затягування в 4aci провал!в говерхш. Ц1 два чинники е дуже важливими для управлшня станом тдроблено! токиненими шахтами тозин пор1д.

Щоб управляти чинником Zsj, norpiöno мата на уваз1, що коефодент эозпушення збшьшуеться i3 зростанням Zs]. Природний розподщ коефщкнта зозпушення монотонно зм1нюеться В1д виробленого пласта, де Bin максимальний, до товерхш. Розпушений внаслщок руйнування щтервал масиву прських порщ ¡бшьшуе свою первинну висоту i, таким чином, здатний компенсувати осшання товерхш. Mipa компенсацп буде пропорщйна гогопц пщ кривою штенсивносп грщинуватосп'. 1снуе можливють отримати додатковий виграш в цш компенсаци лляхом особливого перерозподоу коефвдента розпушення в npocTopi. Такий терерозподш може бути досягнутий спещальною процедурою буршня i подальшого шеадження обвалених або завислих порщ, що буде описано нижче.

За допомогою вибуху, або за рахунок ¡нших штучиих прийом1в, можливо ;фективно порушувати природну оркнтацио обвалених порщ, розташовуючи окрелп 5локи i куски в хаотичному порядку. У робой показано, що безладця вносить св1й стотний внесок в збшьшення ентропи Sjisar/.

Sdisord ~к Np {(п-1) ln(z/e) + Inn}, (2)

ie Np - кшьгасть блокт окремих елеменпв системи (в цьому випадку блогав обвалених порщ); п - кшьгасть сегменпв, з яких складаеться блок;

г = х/у- середня ильюсть вузл^в (розрахункових або умовних) виробленого простору, через яга можуть перемютитися куски породи гид час

обвалення (де х - сумарне число вузлш, як! займуть блоки, щс знаходилися перед обваленням в одному горизонтальному шар!; у -кшьюсть блошв у цьому шар! перед обваленням).

Просторовий крок мшс вузлами приймаеться сум!рно з характерними розм!рами блоку породи. Внаслщок анал!зу показано, що при природному (впорядкованому) обвалент параметр г р!вний 2,07 (62/30), а величина ор!ентац!йно! компонента ентропи Б&югл ~ 0,41. При штучному обвалент г = 90/30 = 3; Заюгы ~ 0,78. У результат! штучна дезор!ентац!я блоив при й обваленн! дае ктотну надбавку коефпц'ента розпушення (ентропи), яка може максимально становити 0,78/0,41=1,9 разу.

Дослщження показали наявн!сть взаемозв'язку м1ж штучним збшьшенням тр!щинуватост!, дезор!ентац!ею блок!в породи ! можливим збшьшенням довгов!чност! порщних шар!в, як! поки не обвалилися. Вш е дуже випдним з точки зору запобггання провалу поверкш «бо, принайми!, збшьшення !нтервалу часу йоге зд!йснення. Зростання тр!щинуватост1 сшльно ¡з зб!льшенням дезор!еятац!5 обвалених порщних блоыв сприятливо впливае на зб!льшення коефвдентг розпушення порщ, що обвалилися. Це призводить до самопщпору ) самопщтримкк п!дробленого масиву. Як результат, шари порщ, яю ще не обвалилися, мають можливють залишитися в стойкому завислому положенш бшьший час. Позитивним кшцевим результатом буде стойкий стан поверхн! над покиненою шахтою або. принайми!, вщетрочення терм!ну провалу ¡/або менша його величина. Тобто провал, як найбшыи несприятлива 1 руйн!вна форма втрати стшкост! земно! поверхн!. зм!ниться опусканиям, що менш руйшвно для буд!вель ! споруд. Саме в цьом> складаеться неочевидний зв'язок м!ж ентропшними тр!щинною ! дезор!ентац!йнок компонентами незворотних зрушень ! довпшчюстю ще не обвалених порщ. Таким чином, теоретично встановлене, що управлшня станом масиву над покиненими шахтами дощльно базувати на наступних трьох принципах:

• штучне збшьшення тр!щинуватост!! пустотност! обвалених порщ;

• штучна змша взаеморозташування блоив порщ, що обвалюються;

• збшьшення довгов!чност! порщ, як! ще не обвалилися, а також фкеащя масиву. що рашше обвалився.

При цьому показано, що перш! два чинники пов'язаш з трет), що доцшьнс використовувати для управлшня масивом прських порщ навколо покинених шахт.

Дослщження особливост1 мехашзму тривалих зрушень 1 обвалень товщ) над погашеними або покиненими прськимн виробками проводилося як для виробок неглибокого розташування, так ! для вертикальних ствол!в. На шахтах Украпш погашено декшька тисяч стволЬ. Приблизно третина з них похил!. Як правило, провали земно! поверхн! пов'язаш саме з руйнуванням устя похилих ствол!в на глибин! 15-30 м. Мехашзм тривалих зрушень над такими дшьницями

гохилих ствол1в по суп ш'чим не В1др1знясться в1д механизму зрушень над токиненими горизонтальними виробками неглибокого розташування. Саме тому юслщжувалися законом ¡рносп тр ив ал та зрушень як навколо вертикального стволу, гак 1 над горизонтальними або похилими виробками неглибокого розташування.

Для вивчення законом1рностей тривалих зрушень була використана методика |»зичного моделювання на моделях з екв1валентних матер^атв. У загальному лдсумку було побудовано 1 вщпрацьовано 17 ф1зичних моделей. Геометричний масштаб моделювання становив 1:25 1 1:33 для детального моделювання тривалих ¡рушень та 1:100 4 1:50 для моделювання протяжних дшьнидь покинених стволов. Гакий масштаб забезпечуе досить високу достов^ршсть геометрично! под^бност! .юдел! 1 натури. ГПдбф деформацшних характеристик та мщноеп екв1валентного латер1алу, яю мають розшршсть напружень 1 сил, здшснювався згщно з методикою гроф. Кузнецова Г.Н.

1фм того, забезпечувалася р1вт:псть коефвдешчв внутршшього тертя I Пуассона. Характеристики мщпосп визначали на статистично представницькш зиб1рщ зразюв в нaпpямi, перпендикулярному } ларалельному нашаруванню, на :пещальнш портативнш установщ, що дае можливють зшмати позамежш ■характеристики випробуваного матер1алу. Шари роздьтялися меленою слюдою для М1таш1 мгжшарових послаблень. Це забезпечило адекватне представления «ехашчних властивостей модел1 1 1х вщповщшеть натур!. Початюш 1 граничш /мови приймалися под!бними натура Модел1 руйнувалися тшьки тд дхею власно! заги. Для прискорення часу тривалого руйнування модел1- застосовувалась вйращя. Масштаб часу знаходився в межах 1:50000-1:146000.

Першою зaкoнoмipшcтю, що встановлена, е перюдичшеть процесу обвалення говпц порщ у част Автором уперше знайдено новий розподш величин одиничного збвалення АН 1 розподш штервагав часу його реанзацп А1 за результатами усього жв1валентного моделювання. Для вивчення цього чинника були побудоваш четограми розподшу вказаних величин, ваднесених, в1длов1дпо, до первинно! зисоти виробки Н1 загального часу обвалення Т (рис. 1). 3 графжа а видно, що на иеншу висоту обвалення вщбуваеться чаепше, шж на велику. Обвалення через горотш пром!жки часу також вщбуваються частше, ш'ж через гривал! (графк б). Цана законом1ршсть узгоджуеться з природою розвитку процесу руйнування товщ)" -иаш об'еми порщ обвалюються чаепше, шж велик) 1 часу на 1х реатзацш потр1бно ченше.

Однак, вказаними натурними спостереженнями не вдалося встановити чггко! ¡алежност! \тк приростом висота кожного обвалення А1г 1 часом його реал1зацн Ах. Ло результатах флзичного моделювання (для шести моделей) була зроблена ;татистична обробка даних 1 побудована кореляцшна залежш'сть мiж вказаними параметрами (рис. 2). Незважаючи на однорщнють товин порщ, що моделюеться в

а

о

Й 4

ГЗ

о

В

га ¡X1

14 12 10 8 6 4 2 0

I 1

1

к ( ¡1 1 1 1

0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 сШ. 2,1 /Н 2,4 2,7 3 Б ¡ль а

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0.8 Бшьше сИЯ

Рис. 1. Розподал висот одиничного обвалення а I часу його реалтцп б згщно результат екв1валентного моделювання

у«х моделях, процес обвалення проходить випадковим чином. Це зумовлюе низьке значения коефвденту корелжш г мш ЛИ 1 Лг, який склав 0,16, що евщчить про нер1вном1ршсть зростання руйнування у чаЫ.

На ф1зичних моделях з екв1валентних матер ¡ал ¡в автором уперше було встановлено роль вщносно слабкого або в!дносно мщного шару породи в розвитку

корелящя: г = 0,16069

3,5 0 ^Ч, Регресш

3.U о 95%

2,5 О

2,0 о - '

_ г

1,0 ____ .е..'-'"'» __ ----- --tf---*___- Ö

0,5 ..Н * 0 % 0 О

0,0

-0,5

-ОД ОД 0,3 0,5 0,7 0,9

dt/T

Рис. 2. Зв'язок лпж нормованими штервалами одиничного довготривалого обвалення та ix висотами

процесу тривалих зрушень над покиненою горизонтальною виробкою. При цьому отримано ефект згасання зрушень по Mi'pi наближенпя до мщного шару. Гранищ зрушення порщ в гогощиш лерер!зу виробки сходяться шд гострим кутом 45-60° до ш'дошви мщного шару. Таким чином, при достатшй потужноеп (лринаймш 0,66 м, або 0,33 висоти виробки) i мщносп по вщношенню до рядових порщ (70-80 МПа або в два рази вище за мщшстъ imirax порщ), дей шар зупиняе продес руйнування вище розташовано1 то в ид.

При досягненш критичного вщношення висоти перекриття до висоти виробки H/h «4-5 спостериаеться провал трубопод^бно! форми. При висо'п перекриття виробки товщею порщ, яка перевищуе п'ять висот виробки, спостер1гаетъся тенденщ'я до плавного прогину поверхн! з характерною мульдою зрушення. Гранищ зрушення однорщно! товин порщ при U/h < 5, мають вертикальну opienraniio. При наявноеп в товщ1 порщ слабкого (по вщношенню до рядових) шару, процес руйнування починае розвиватися вщ нього i приводить до нахилу границь зрушення шд тупим кутом до поверхш (110-120°).

Для гадтвердження достов!рност! отриманих результатов було виконаш комп'ютерне моделювання на моделях з дискретних елементов. Комп'ютерна модел1 була побудована на основ! широко вщомо! моде;п Кундала, що застосовусться £ ней час для дискретно!' середи. Алгоритм розрахунку базуеться на дво> фундаментальних законах ф!зики твердих тол: закон! Гука! другому закон! Ньютона При цьому виконуеться замша реального масиву порщ дискретними елементами, як: перемщуються незалежно один вщ одного, 1 взаемодноть за допомогою прямив з!ткнень. Щоб врахувати реальш процеси, що проходять в порщнш товщ!, а саме шерцшшсть, ошр середовища! втрати енерг!! при переход! з одного стану в пиний, в алгоритм введеш коефвденти, що враховують тертя ! втрату енергн в цш вииадках.

Приндииова перевага розробленого методу дискретних елементов полягас е можливосп моделювати !стотно безповоротш продеси (так! як розтршкування пори ! IX безладне обвалення) що, як показав термодиналичний анал!з, вносить значниь внесок в збшынення ентроп!!.

У мщних породах (межа м!дносто на одноосьове стиснення - 60-70 МПа' процеси зрушень заюнчуються вщносно швидко (через 6,5 рошв п!сля погашения виробки). При цьому в!дбуваеться замикання склепшня обвалення ! наступас стаб!л!зац!я ситуацп. Контури обвалення не доходять до поверхш ! немае загрозн утворення провалу. Слабкий шар (потужшстю 0,8 висоти виробки ! мщшстн: меншою в 4,16 рази в!дносно решти масиву) в товщ!, що обвалюеться, € провокуючим елементом, що сприяе значному зростанню висоти зони обвалення не величину, яка в декшька разгв перевищуе потужн!сть самого слабкого шару. Це в!дбуваеться внаслщок його руйнування ! висштання на величину, яка перевищуе ширину оголення, що, в свою чергу, як!сно ниняе картину зростання зони руйнування над виробкою !з замкнено!! склепопод!бно! на роз!мкнену, що виходить на поверхню.

Встановити достов!рну залежн!сть, що дозволяе прогнозувати зростання зони у час!, юнуючими традицшними методами неможливо. Коефвдент кореляцц М1Ж приростами висоти обвалення ! штервалами часу м!ж ними дор!внюе 0,06, що повшстю сп!впадас з результатами ф!зичиого моделювання. Це пояснюеться неоднор!дн!стю природних умов, випадковими подиями, як! супроводжують процес руйнування! складним механ!змом накопичення пошкодження у товщ!. Тому навггь при наявносп достов^рних даних про властивост! ! структуру пор!д, дуже важко заздалепдь оцшити, коли 1 в якому мюш масиву почнеться процес обвалення, \ як вш буде проходите у час!. Звщси слщуе важливий практичний висновок: час провалу поверхш над погашеною виробкою потр!бно визначати по спед!альнш методиц!, яка заснована на теорп нечггких множин, що оперуе такими поняттями, як "швидко", "повшьно", "слабкий масив", "мщний"! т.п.

Для шдвищення достсшрносп автором були виконаш додатков! експерименти на блокових моделях, заснованих на 1мпацц сшга ваги масиву тертям його тша по основ! модель Умови под^бност! визначалися на пщстав! вщомих формулювань Брея та Гудмана, яю розробили критерп под1бноси для моделювання зрушення дискретно! товщ1 тертям по основа Встановлено, що, обвалюючись, деяю елементи прагнуть дезор!ентуватися вщносно свою початкового положения. У результат виникають додатков1 порожнини в масив1, яю не можуть заповнити подалыш блоки, що обвалюються. У пронес! моделювання на блокових моделях вертикально! ор1ентацп ще раз шдтверджено ефект загасання зрушеяь при вплив! мщного шару. Границ! зрушення порщ в площиш перетину виробки прагнуть до сходження пщ гострим кутом,! провал не носить глобального характеру.

Пщтверджена позитивна роль штучного розщшьнення ! дезор^штацп дшьниць масиву на кшцеву величину провалу або мульди опускания. Доведено, що збшьшення интервалу, на якому проводиться штучне розщшьнення товгщ, зменшуе величину осщання товпп над покиненою виробкою. Так, при природному обваленш (модел! 1-3) площа мульди провалу у вертикальному перетиш е р!вного 43% вщ плоип перетину покинено! виробки. При здшсненш штучного розщшьнення на штервал! 1,5 висоти виробки (модел! 4-6) в и покр1влк площа мульди зменшуеться до 32% або в 1,3 рази вщносно и максимального розм!ру. При здшсненш такого розщшьнення на штерваш 1,7 в локр(вл1 1 штервал! 0,8 висоти в шдошв! виробки (модел1 7-9), площа мульди доршпое 8% або стае в 5,5 рази менше максимально!.

Проведен! дослщження е теоретичним обгрунтуванням для розробки технолопй забезпечення стшкост! земно! поверхш над устями погашених похилих ствол(в 1 ¿нших одиночних виробок неглибокого розташування. Вивчення мехашзму тривалих зрушень в погашеному вертикальному ствол! проводилося на моделях з оптично активних матер!аш'в, комп'ютерних моделях 1 на трьохм!рних моделях з екв!валентних матер!ал!в. Для шзуалгзацц ! забезпечення можливост! вим!рювання зрушень осесиметрична модель стволу розр!залася навпш вертикальною площиною, що не порушувало граничних умов.

Встановлене, що тривале руйнування пор!д, що умвдують покинений або погашений ствол в глибиншй частит 1 навколо устя проп'кае по ршшх мехашзмах. У зош нанос!в вщбуваеться накопичення пошкодження навколо пор!д, що примикають до устя стволу з подальшим !х обваленням в ствол ! формуванням конуса провалу. Процес руйнування при цьому несиметричний вщносно ос! стволу ! протгае почергово у випадков!й послщовност! в межах конусу обвалення. Вказане руйнування супроводжуегься перюдичпим зростанням граничних розтягуючих I дотичних напружень. У глибиншй частит' стволу руйнування виникае навколо слабких прошарюв порщ. Форми порожнин руйнування несиметричн!, при цьому об'ем зруйнованих бшьш мгцних порщ, що примикають до слабкого шару-шплатора

руйнування, може в 4-5 раз перевищувати об'ем зруйнованих слабких порщ. По М1р1 самозаповнення стволу, и оголення, що ранние обвалилися, стають стшкими, а продес руйнування затухае. Щдземна порожнина обвал1в перемшуеться вгору 1 теля н об'еднання з кратером вщбуваегься провал устя стволу. Взагага, процес тривалих зрушень пори навколо покиненого або погашеного вертикального стволу характеризуеться несиметричшстю, виб^рковктш 1 самозатуханням пщ д1ею тдпору пору!, що обвалилися. Вказаш законом1рност1 е геомехашчними основами для розробки нових технологий погашения ствол1в.

Окремим експериментом шдтверджена гшотеза автора про виршальний вплив пщземних вод на усадку засипки погашеного стволу. Г1од1бшсть забезпечувалася фракщонуванням гранулометричного складу засипки, при якому розм1р середнього зерна приймався на шпька порядюв менше диаметра стволу. При цьому забезпечувалася piвнicть коефщкнтт тертя об стшки стволу в модел! 1 в натур1, а також використовувався ламшзрний режим дренування води через засипку, що В1ДпоБ1дае натурним умовам. На об'емному стенд! шдтверджена нaявнicть, так званого, бункерного ефекту, який полягае в збшьшенш тиску засипки на дно стволу або упорно! пробки до деяко! меж1, яка залежить вщ внутршнього тертя в засипщ, и гранулометричного складу 1 тертя об стшки стволу. При подальшому збшьшенш висоти засипки п тиск на основу не змшюеться або мшяеться слабо. Однак автором встановлена нова ¡стотна особливють, яка полягае в тому, що при поступовому дренуванш гадземних вод через стовп засипки вщбуваеться вимивання тонких фракцщ 1 !х перерозподш вниз засипки (рис. 3, а). У результат вщбуваеться посоупове оещання засипки через втрату стшкоси локальних мютмв з окремих куешв породи, що розклинились 1, як иаслщок, неухильне зростання тиску засипки на дно стволу, перегородки або упорш пробки. Тиск може прагнути до геостатичного р1вня (рис. 3, б), внаыпдок чого створюеться умова для видавлювання 1 прориву засипки у приствольш виробки, що призводить до п омдання на десятки 1 сотн 1 метр1В. Таким чином, ствол, погашений традицшним способом (шляхом засипки шертною породою) може через деякий час виявитися на половину 1 бшьш спорожненим, шеля чого розвиваеться некероване обвалення стшок 1 вмнцуючих порщ згщно з мехашзмом, який описаний вище.

Анализ натурних досл!джень тривалих зрушень та обвалень над покиненими шахтами 1 в погашении вертикальних стволах був проведений для широкого кола прничо-геолопчних \ прничотехшчних умов. Це надало можливкть зктавити дат шахтних 1 лабораториях експерименпв, що забезпечило достов1рн1сть виводш 1 основних наукових положень.

Як приклад натурних спостережень, виконаних автором, приведемо випадок провалу на прському в!двод1 шахтоуправлшня 1меш газета Правда, який на територн колишньо! Юзовки з початку вжу вщпрацьовувався цшим рядом др1бних 1

< 0,25 0,25 0,50 1,5

Диаметр зерна, мм

2,5

—±—#7-вихщний

32 42 52 62

Период обводнения, хвил.

Рис. 3. Результата моделювання ди води на засипку ствола: а - криш гранулометричного складу; 6- змша тиску засипки по \iipi и обводнения

вщносно великих шахт. Потужшсть наношв в даному мющ становила 18-20 м. Пласт h? був розкритий двома шурфами №7/12 АГО в центр! шахтного поля на глибиш 168 м. Шурфи прямокутного nepepi3y 2x2,6 м почали проводите в 1905 рощ. У 1918 рощ бремсбергова частина поля була покинена, а шурфи законсервоваш. При цьому на глибиш 15 м вщ устя шурфу обладнувався

□

□

запоб1жний ¿золюючий полок з дерева. На глибиш 3 м В1д земно! поверхш влаштовували другий полок, який засипали грунтом ] породою.

Обстеження шурф!в в квггш 1998 року засвщчило, що поверхня над ними залишаеться в стшкому стан!. У серпш був виявлений провал навколо одного з шурф1в. Обстеження мюця провалу засвщчило, що пщ д1ею осадюв кр1плення на дшьнищ шурфу, яка примикала до поверхш, руйнувалося 1 обвалилося в його порожнину (рис. 4). В результат утворилася конусна воронка глибиною 40 м 1 доаметром у поверхш 7-8 м. Кут нахилу гранидь обвалення до вертикал! складав всього бшя 20°, що пояснюеться вельми стшкими породами. На глибиш бшя 40 м проглядався прямокутний перетин шурфу, який був перекритий залишками колод вщ кршлення, що обвалилося. Було прийняте ршеиия про засипку шурф 1 в перегоршою породою з суЫднього терикону. У пор1внянн1 з розрахунковими 972 м3 породи, в шурф №7/12 було засипано 1200 м3, тобто на 23% бшыне, що молена пояснити розповзанням породи в пщземш виробки, як! примикають до стволу. Через 2 мкяц! засипка осша на 5 м, внаслщок чого п довел ося поповнити у жовтш 1998. Навколо засипано! воронки було встановлено огорожу. Теоретична ощнка показала, що максимально можливий д!аметр провалу складае для даних умов 13,4 м, глибина кратеру - 14,9 м, а об'ем кратеру - 751 м3. Розрахунковий час утворення кратеру гасля погашения стволу повинен бути битыле за 60 роив (фактичне становило 80 ромв). 3!ставлення дих даних з фактичними показуе, що з одного боку провальний кратер утворився не в максимально можливому масштаб!, осюльки його д!аметр майже в 2 рази менше максимальних розрахункових. Це означае, що без проведения захода щодо стабшзацн стшкост! стшок провалу в!н

ГОР. ПЛ.

Рис. 4. М!сце провалу в район! другого шурфа шахта №7/12

може повторитися у большому масштаб! в будь-який момент. 3 шшого боку, фактична глибина провалу в дешлька разов перевищуе теоретично можливу для кратеру, що однозначно свщчить про об'еднання подземного обвалення сто'но к шурфу з кратером провалу його устя. Саме такий мехашзм обвалення був зареестрований на фозичних моделях. Вщмшшо, що реально об'ем засипапо! породи (1200 м) майже в два рази перевищуе розрахунковий об'ем кратеру. 1ншими словами, частина шурфу перед початком засипки була вже заповнена породою вщ провалу, тому об'ем пустоти був навоть меншим оцшки технологов (972 м3), ям проектували засипку. Це означае, що майже половина засипано! породи була видавлена пщ власною вагою ! д!ею шдземних вод в приствольш виробки.

Таким чином, натурш обстеження подтвердили достов!рн!сть результатов моделювання, а саме: реалыпеть катастр о ф оч и ого обвалення устя покиненого пустого стволу з утворенням кратеру, глибина якого в декшька разов перевищуе д!аметр стволу; реальность видавлювання породи в приствольш' виробки шд д!ею ваги засипки о шдземних вод та наявн!сть подалъшого периодичного оещання засипки.

Натурними дослодженнями на ряда шших погашених ствол!в шдтверджена роль води ! слабких прошарко'в породи в розвитку тривалих зрушень навколо покинених шахт. Виконан! обстеженооя провалу устя шурфов ! аналоз !х причин, а також метод!в боротьби з провалами, ям застосовуються, показуе, що традицшш технолог!! запобиання провалам поверхш огеефсктивш, затратн! ! породжують постойпу небезпеку повторних провал!в. Цей висновок пщтверджуе необходшеть розробки нових технологш управлшня масивом горських порщ над покиненими шахтами.

Аналопчш висновки були отримаш на основ!: вивчення тривалих зрушень земно! поверхш при н пщробщ камерно-стовповою системою розробки; анал!зу результат! в дослоджень тривалих зрушень над горизонтальними шахтами неглибокого розташування; анаггау результат!» вивчення провал!в поверхш над рудниками Кривор!зького басейну,

3 метою зютавлення результатов власних натурних спостережень з даними шших дослщжень автором проаналозований доевщ мониторинга за довплривалим опусканиям поверхш над покиненими горизонтальними виробками в штат! 1ллшойс (США). Встановлене, що одним з вельми !стотних чинников е геолопя гадроблено! товщ!. Зрушення провокуються на слабких контактах ! прискорюються до его води, якщо вона вступае в контакт з породами глинистого складу. Це повностю шдтверджуе результата, що отриман! автором на ф!зичних I комп'ютерних моделях, водносно рол! слабкого прошарку-шщатора ! катал!затора обвал!в. Не менш важливим чинником е конфшуращя виробленого простору ! його розмори, а також розм!ри залишених пшиков. Обвалення над малими ноликами (ширина яких менше

половини пшрини поблизу розташованих вироблених простор1в) бшьш в1ропдне ш* над великими цшиками, роздшеними вузькими виробленими просторами Нареихп дуже важливо, що в проце« обвалення вщбуваеться перерозподи напружень м1ж цшиками, що, як правило, е причиною самошдтримки обвалення осщання.

На основ1 цих висновыв автор рекомендуе зменшувати прольоти виробленоп простору вибухошдбут1вкою 1 використовувати мщш шари порщ для зупинки аб< сповшьнення процесу довготривалих зрушень над покиненими шахтами, щс виходить з вище описаних дослщжень.

Анашз даних вивчення процесу прогресуючого зрушення над шахток Кирунавара подтвердив висновки про те, що затримаш в чаа осщання або провал! поверхш над покиненими шахтами не вщбуваються, як правило, вмить на век глибину. Провалу поверхш, як правило, передуе тривалий перюд накопиченш пошкоджень товгш у вигляда локального единичного обвалення. Ц1 пошкоджеши нагромаджуються в напрям] знизу вгору 1 переважно в мшцях природних аб( штучних ран¡ше юнуючих послаблень: слабких прошарюв порщ, трещин I площш ковзання 1 т.п. Аналопчний результат був отриманий автором на фпичних комп'ютерних моделях. Був встановлений механизм перемпцення порожниш обвалення знизу вгору з подальшим катастроф1чним провалом устя стволу тсл> об'еднання глибинноУ порожнини обвалення з кратером у поверхш'.

Анашз результатов штегрованого мошторинга тривалих зрушень над шахтами що добувають поташ в Канзд, дав можливють пщтвердити положения автора пр< значну роль вщносно мщних шар1в порщ, затримуючих процес тривалих зрушега над вщпрацьованими шахтами.

Анагйз результатов вивчення стану вертикального стволу ш/уЯновськ< подтвердив встановлеш автором особливосп мехашзму обвалення стшок пустой стволу у час1, що полягають в виб!рковосп 1 несиметричносп. Анашз мошторинг; тривалих зрушень над сховищем нафти в однш з покинених сольових шахт штат] Флорща (США) показав, що провал вище розташовано! товиц вщбуваеться тд Д!ек ряду несприятливих чинниыв, а саме: накладання концентращй прського тисю (високих дотичних напружень) та Д11 сезонних гадземних вод. При цьому першш, елементом, що втрачае стшшсть, е слабкий порщний прошарок, або ослаблешп м^жшаровий контакт. Вщ такого елемента проростають водопровщш тр1щини, як надагп розвиваються в провал га карстов1 воронки. Це шдтверджус правильшет] того, що при консервацп шахтних споруд (вертикальних ствол ¡в або ¡нших виробок по1р1бно насамперед провести локальне виборче змщнення I посилення найбшьи слабких елемештв прського масиву або крапления, та передбачити, по можливосп IX пдрохзолящю.

Таким чином, натурш спостереження автора 1 аналЬ paнiшe виконаних спостережень шших дослщниюв пщтвердили достов!ршсть висновюв вщносно основних особливостей механизму тривалих зрушень над або навколо погашених (покинених) шахт 1 вертикальних стволш.

Виходячи з проведених дослщжень, автором розроблеш нов1 та вдосконалеш кнуюч1 способл запобигання обваленню земно! поверхш, а також встановлеш Кх ращональш параметри для забезпечення стшкосп земно! поверхш 1 запобигання й провалу над погашеними 1 покиненими шахтами.

Похил! стволи i виробки неглибокого розташування. Не заперечуючи принципову можливкть запобкання пр0вал1в земно! повсрхш шляхом традицшного заповнення покинених виробок пульпою з теку або золи через свердловини, автор обгрунтовуе нов1 способи, яю, з його точки зору, е бшьш ефективними 1 економ1Чиими. До таких cпocoбiв, передуеш, вщносяться: а) вибухогндбупвка шдробленого масиву; б) примусове обвалення зависло! товнп; в) посилення зависло!

Т0ВЩ1.

Споа'б (а) впливае прямо на два ентропшш компоненти, що характеризують процес тривалих зрушень, а саме: на вшьну поверхневу енерпю тршгип 1 на

дезор^енташйний компонент;

опосередковано - на довпшчшеть зависло! товпц через п вибухошдбупвку I мехашзм сходження площин повних зрушень.

Технология реашзуеться у такий споаб. На гйдстав! вивчення плану прничих робгг, геолопчно! будови ТОВЩ! ПрСЬКИХ порщ та

пдрогеолопчних умов визначають мicцeпoлoжeння свердловин в райош об'екту, що захищаеться (буд1вл1, споруди та ш.). Свердловину споруджують на глибину, що перевищуе покинуту виробку на 1,0-1,5 и висоти. Пот1м встановлюють заряди вибухово! речовини в доншй частиш свердловини, на висот! 1,5-2,0 висоти виробки В1д и покршл1 1 при необхщносп ще один заряд на вщетада 1,0 висоти виробки вщ заряду, встановленого в ц покр(вл! (рис. 5).

Рис. 5. Схема розташування зарядш ВР при реал!защ! способу вибухошдбупвки

Висадження заряд!в ведугь у послщовносто знизу вгору, щоб використати пщбутовку покр1вл1 виробки породами грунту (або породами, що рашше обвалилися). Конкретш параметри зарядав визначаються мшшстю порщ, в яких вони встановлюються. Дощлыго встановлювати заряди у вщносно мщних породах, оскшьки вони зберггають бшьший залишковий коефицент розпушення. Сумарний штервал Ь вибухошдбутовки повинен визначатися по запежносто: Ь=И/(Кр -1) (де И -залишкова висота виробки або порожнини, Кр - коефщ!ент розпушення порщ). При висото виробки 2 м 1 коефвдешт розпушення 1,1-1,3 штервал вибухошдбутовки повинен складати порядку 20-6 м. Зазначимо, що така величина визначена ¡з запасом у 2,0-2,5 рази в зв'язку з тим, що необхщно враховувати нер1вном1ршсть розльоту породи 1 наявтсть встановленого автором позитивного зв'язку м!ж пщбутовкою покр1вл1 виробки 1 тенденшао до виродження облает! обвалення до трккутно! форми.

Споаб (б) в основному впливае па макстизацно загально! ентротйно! характеристики мехашзму тривалих зрушень, переводячи масив в бшьш в!ропд11йй стан (такий, що обвалився). Така технологи доц!льна у випадку, якщо прочее обвалення досяг майже до земно! поверхш ! його доцшьно прискорити, а в район! можливого провалу немае споруд, ям треба охороняти, але мкце потр!бне для буд!вництва ново! споруди.

Спошб (в) впливае на спйюсть масиву, затримуючи його обвалення на заданий перюд. Ця технологк реал!зуеться за рахунок анкерування ¿/або установки паль в основ! споруди, яку треба захистити в!д можливого провалу. Дана технолог!я ращональна при наявност! стойкого ! досить потужного (товщиною порядку висоти покинуто! виробки) шару породи у безпосереднш близькост! до поверхн!.

Досвщ застосування вищезгаданих способ1в показуе, що в практищ часто доцшьно комбшувати !х елементи. Наприклад, ращонально поеднувати вибухошдбутовку навколо покинуто"! виробки або порожнини з посиленням основи шдроблено!" споруди безпосередньо у поверхн!. Конкретн! поеднання ! параметри способ!в визначаються в залежносп вщ прничо-геолопчних! гщролопчних умов.

Вертикальн! стволи.

Як показали дослщження, усадка засипки стволу е законом!рною при будь-ямй технологи и реашацп. Досипання стволу проводиться набагато безпечнйие, а його результата набагато надойнйш, коли устя ! все кр!плення залишаються стойкими. На основ! дього автором розроблена нова технологк погашения стволу, що включае наступи! операцп: визначення розподщу коефиценту стшкосто оголених порщ по веш довжин! стволу (згщно з критер1ем 5 проф. Буличова М.С.); встановлення дшьниць, де стан кр!плення е незадовшьним внаслщок його стар!ння до моменту погашения (консервацн) стволу через розтрккування ! шип вида зносу; визначення часу 1 стшкосто порожньо! частини стволу, що консервуеться; оцшка

влливу тектошчно! активносто району в мосш розташування стволу на його тривалу стойкость; виконання робота но посиленню кроплеошя 1/або порщ, що умнцують; змщисошя порожньо! частини стволу за рахунок п заповнення твердими, родкими, газоподобними речовинами ¡/або зведення розтрних перемичок, що перекривають перероз стволу в найбшьш небезпечних зонах; виконання комплексу заход1в по забезпеченню безпеки в район! устя стволу згщно ПБ.

Автором детально викладене геомехатчне обгрунтування ново! розшрош! перемички для посилення стшок стволу. Для цього запропонована склепопод!бна перемичка у вигляд! параболоода обертання, що мае певш параметри: товщина в центр! - 0,2 д!аметри стволу, стрша подйому в центр! - 0,2-0,4 д!аметри, глибина закладення - 0,3 д!аметри, ширина опорно! п'яти - 0,3 д!аметри, кут нахилу п'яти мембрани до горизонту - 35-40°. За допомогою розрахунив методом кшечних елемент!в показано, що така перемичка створюе сприятливий напружений стан в стшках стволу ! породах, що його ум!щують, з точки зору збшьшення !х тривало! стшкост!. Це досягаеться шляхом трансформащо навантаження засипки в об'емний напружений стан в мюцях закладення перемички. У результат! в 1,5 рази змешнуються максимальш дотично' напруження о, кр1м того, область ох д!! перем!щуеться вглиб масиву, що сприяе забезпеченню його тривало! стшкост!. Ефеосгившсть ново! перемички гадтверджена на ф!зичних моделях ! методом дискретних елемештв, атакож результатами промислово! перев!рки.

Розроблена методика впбору ращональнлх способов забезпечення стшкост1 поверкооо I Тх параметров в залежност! вщ приичо-геолопчних о прничотехшчних умов. Для рацюнального вибору конофетно! технологи або ох поеднань були використаш методи штучного штелекту. На основ! нечотко! (фуз!) лого'ки та результат дослщжень автора були сформульован! початково "фузь правила", що визначають прийняття р!шення по застосуванню конкретних заход!в для керуванням стойгастоо масиву з урахуванням площ! залишених цщиюв, мщност! порщ у ц!лому та окремого шару (що перекривае вироблений прогар), глибини ! в!дстан! до окремого шару.

На баз! логично! машини (у виглядо нейронно! мереж!) був використаний алгоритм навчання мереж! з шдстроюванням !"! параметр!в на основ! облку нев'язки м!ж поточним ! задании векторами виходних величин. Кольюсть входов приймалася р!вним 5, що вщповщало колькост! початкових параметр!в. Була досягнута помилка вектора рпиеооь, що не перевищуе 10% максимального значения виходно! величини. Це р!шення було отримане для таких умов: альтернативне тренування по 3 правила через 2 перацп при шум! 0,5, момент! 0,5, швидкост! навчання 0,5, точноси 0,1 г при архггектур! нейронно! мережо 5-3-3. На реашзацою останньоо вдалоо сеси тренування було затрачено понад 3000 ¡терацой. Р!шення з!

списку вихщного вектора приймаеться при величиш виходу, бшышй 0,5. Пщсумкова мережа i earoei коефкценти приведет на рис. 6.

Осктьки обеалення устя стволу е катастрофою з точки зору стжкосп земно! поверхш, автором встановлена залежшсть для визначеняя параметров кратера обвалення в залежносэт вщ основних чинншив. На рис. 7 показана схема провалу устя ствола глибиною Я, д1аметром d, який спустив внаслщок усадки засипки. Внасладок провалу д1аметром dj i висотою hj частика ствола, що опустша, заповнюеться розпушеною породою з коефдцентом розпушення К. Куг природного укосу провалу (р знаходиться, за даними моделювання i шахтним спостереженням, в межах 15-65 i залежить вщ шаруватосп, Mipn вивлрювання i мщносп порщ

((¿л mU7 mi. 8 6 -4,47 -1,13 1,83

.т?>6.. m2,7 СЧ2.8 1,26 7,26 -7,10

гг>3.6 013,7 r,l3,8 -6,35 -0,73 0,03

m4,6 ftV>,7 «4,8 5,14 -1,38 -4,66

т5,6 r,l5,7 4,28 -3,56 7,93

mfi.9 «6,10 тб.п -7,73 5,44 1,34

m7,9 Щ7, 10 ff»7,n 1,41 -1,19 -8,68

fïs> 9 fAio m», ii -5,58 -11,41 12,7

струюура обчислеш значения для

вибраного вар1анту

Рис. 6. Структура шдсумково'1 нейронног мереж1 a i отримаш коефвденти зв'язку мiж нейронами у нш б

наноа'в 1 масиву, що примикае до них. Умова заповнення гторожньо! частини стволу розпушеними породами, що обвалилися з тша конусу, буде записана у наступному вигляд1:

Рств. = йшн.Г, (3)

де Кств. - об'ем порожньо1 частини стволу нижче за основу конусу; Ккон. - об'ем порщного тйа конусу обвалення за

вирахуванням пустота стволу. Виходячи 31 схеми на рис. 7 1 використовуючи формули о б'ем ¡в уаченого конусу 1 цилшдра, отримуемо:

Гств.=0,251а?[Н-@г<*2)/№<р)]. (4)

¥коп.=Кл(с11-ф[с112+11,с!+с?-3^]/(2^(р). (5)

Шсля подстановки (3) 1 (4) в (5) 1 перетворень знаходимо куб1чне р1вняння для диаметру кратера:

¿¡Кг й,Ъ(1-К)с?-\ [Жй-Ъй- (6)

Дослщження поведшки ранения р1вияння (б) показало, що 13 збшыненням глибини дтьнищ стволу, яка спустша, д!аметр кратеру 1 його висота спочатку р13ко зростають, досягаючи 17-23 м 1 8-11 м вщповщно при глибшп стволу 50 м. При досягненш глибини порожньо'1 частини стволу 300 м диаметр кратеру перевищуе 40 м, а його висота становить 15-23 м. При цьому об'ем кратеру обвалу досягае 5000 м3, що добре узгоджуетъся з даними, яю рееструготься на погашених стволах Чехи 1 Имеччиш. Дтштр кратеру обвалення може бути 1 менше розрахункового, коли вш зафксований в пром1жнш стадц, або коли провал устя стався внаслщок об'еднання пщземного обвалу з провалом устя, мехашзм якого детально описаний рашше.

Характерно, що збшьшення кута нахилу границь кратера приводить до зростання його диаметра 1 зменшення глибини, хоч об'ем породи, що обвалилася, все одно зростае. Потенцшно провалонебезпечним стае набагато бшьша площа, яка примикае до устя стволу. 3 урахуванням запасу надшносп \ невизначеност!" характеру навантаження крайово! частини розрахунковий д!аметр воронки повинен бути збшьшений в 2 рази.

провалу устя

Автором на основ! даних моделювання, результата обстеження натурних дшьниць провалш, а також з урахуванням вщомих параметров зон зрушення для пщземних розробок була складена таблиця для визначення кутов нахилу боково! стшки провального кратеру до вертикал!. Кут нахилу тим бшыпе, чим бшьше потужн!сть нанос!в ! нижче мщшсть кор!нних порщ, що вмицують погашений ствол. При цьому м!цн!сть порщ приймаеться як середньозважена в д!апазош глибини, на яку в!дбуваеться провал устя. Розроблена методика дае можливють оцшки параметр ¡в провального кратера устя погашеного стволу для обгрунтованого вибору границь захисно!' зони, в якш забороняеться буд!вництво стац!онарних наземних споруд.

На пщстав! статистичних даних, що отримаш автором роботи, ! анал!зу результатов незалежннх дослщжень був розроблений метод наближено! ощнки часу, необхщного для про в илу устя погашеного стволу на основ) нечггко! лог!ки. Як початков! чинники, що визначають перюд часу м!ж погашениям стволу ! в;рог;дним моментом провалу гирла, були видшеш: приведена мщшсть порщ, стан кршлення, обводнения! д!аметр стволу.

На пщстав! даних, що отримаш автором дисертацп, а також шшими дослщниками, встановлен! функци членства для видтених чинниюв. Враховуючи високий ступшь невизначеносто, чинники були розбит! на 3 р!вш. Мщшсть вмпдуючих порщ розподтялася на малу, середню ! високу. Стан кр!плення характеризувався як добрий, середнш та незадовшьний. Д!апазони д!аметра стволу I обводнения подшпоть на малий, середнш ! великий. Час, необхщний для провалу устя, градуюеться на малий, середнш ! довгий. Функци членства пов'язують понятшш, ягасш фактори з кшьюсними показниками.

Був створешхй ! запрограмований алгоритм так звано"! машини по виведенню висновюв. Сиочатку визначаеться приведена мщшсть вмщуючих порщ, приведений стан кршлення! д1'аметр стволу. Дал! щ початков! дан! фуз!ф!куються з урахуванням випадкових вщхилень перших двох параметр!в (тобто, цифров! дат переводяться в яюсш, понятойш). Потом за допомогою ¡мшпкацп ! композицп "д1апазон часу обваления р1виий бЫъшому д1апазону з менших величин по вса початкових чинниках" отримують вщповщь на питания, як довго погашений ствол буде стойким. Незважаючи на те, що вщповщь отримують яюсну, вона характеризуе д!апазон найбшьш в!рогщного перюду стойкого стану стволу. Такий метод дае можливють оцшити стан поверхн! навколо погашеного стволу ! провести Г! швентаризацио, що вельми важливо з практично! точки зору.

Промислова персв1рка 1 економ!чна оцшка розробленнх технологш. Реал!зац!я розроблених технологш або !'х елементов проведена на шахто ш. Ф. Кона при погаше!ш! вертикального стволу глибиною 540 м. Ствол гасився на основ! традицшно!" технологи згщно з правилами безпеки. Для шдвшцення надшност!

результата погашения додатково була використана технолопя автора, яка модифжувала первинний проект таким чином.

Ствол був ретелыю оглянутий 1 скпадена карта розподшу трпцинуватосп його кртления. Загалом стан бетонного (вище за вщмггку 90 м) 1 цегелыюго кршлепня був вельми задовшьним, що створювало гарт передумови для погашения стволу шляхом його засипки. Лише на обмежених дшьницях були виявлеш пошкодження кршлепня. На Д1аграм!' (рис. 8) видно локальне збшьшення модуля трпцинуватосп на вказаних дшьницях. На цих дшьницях кршлепня було вщновлене шляхом цементацн, посилення анкерами, або замшою новим. Робота по посиленню або вщновленню кршлення проводшшся заздалепдь перед демонтажем обладнання в ствол!. У приствольному двор! були встановлеш перемички, тдземш виробки за перемичками погашен! для запобйання катастроф1чного прориву засипки ! й' просадки в ствола Ствол засипали перегоршою породою з сусщнього терикону. Зпдно з рекомендациями автора, спочатку використовувались найбшьш др1бш фракцн порщ, яких було надлишок в межах старого терикону, що мався в

Рис. 8. Розподщ критерто стшкосп внутрппньо! поверхш ствола

розпорядженш шахта поряд 31 стволом. По Mipi збшьшення висоти засипки в технолопчний процес залучали бшыл велию фракцп. Середнш д1аметр фракцш по глибиш стволу зшнювався зпдио з таким принципом: до глибини 340 м - 15 мм; до глибини 200 м - 25 мм, решта 30 - 50 мм.

Враховуючи небезпеку просщання засипки, а також близьгасть устя стволу до житлових будиныв, було прийняте ргаення про зам ¡ну традицшно! плоско! перемички на склешнну у вигляда параболоща обертання, яку зпдно з правилами безпеки треба встановити на глибиш не менше за 10 м вщ поверхш. Перемичку спорудили на глибиш двох д4аметр1в стволу, тобто 12 м, а параметри перемички вибрали згщно рекомендацш автора. Враховуючи неминучу просадку засипки в майбутньому, це збшьшуе стшшсть найбшьш вщповщально! частини стволу, спорудженох в обласп наноав. Зараз ствол засипаний повшстю. Ведуться шструментальш спостереження за станом поверхш б зохп кого впливу.

Автором проведений аналп економино! д1яльносп шахти за допомогою динам1чно1 комп'ютерно! модели. Це зроблене для оцшки фшансового навантаження на шахту при самостшному проведенш po6iT по погашению прських виробок i вертикальних стволов на вщпрацьоваяих дшьницях. Показано, що для забезпечення стшко! робота шахти необхщно дотувати роботи по погашению старих poöiT або передбачити на цю мету 2-7% амортизащйних вщрахувань вщ початково! вартост1 цих об'екпв.

Результата розробок пройшли промислов1 випробування i впроваджега при погашешп вертикальних стволов в процесс закритгя шахт i шахтоуправлшь ¡м. Фелкса Кона, Червона 31рка, Куйбишевське, Мушкет1вська-Вертикальна i irani.

Рекомендаци автора були використаш шститутом Дондшрошахт при складанш проектов погашения вугшьних шахт Мушкепвська-Вертикальна, ш/у Червона 3ipKa, Заперевальна№1, 60-ршчя Украши. Для умов Захщно! BipriHii (США) розроблеш ращональш параметри технолопй запобшання провалам земно! поверхш над погашеними похилими стволами i покиненими шахтами неглибокого розташування. Елементи технологи "примусовий провал товид до само! поверхш" використаш при управлшш усщанням noBepxHi шляхом забезпечення повноти вшмки охоронного ц!лика на шахп Швденно-Донбасська №1, Тимчасове вказшда до погашения вертикальних стволов затверджеш теруправлшням Держнаглядохоронпращ по Донецьюй обласп як нормативний документ для ведения po6iT по закритпо шахт ДК «Укрвуглереструктур1зация». Загальний економ1чний ефект вщ peajmauii розробок автора за рахунок додаткового виймання вугшля становить 850 тисяч гривень на piK. Очжувана економ1я вщ реатзацн технолог!) погашения вертикальних ствол1в ощнюеться в 135 тис. гривень на один ствол за рахунок л1квщацй' можливосп провал1в, або понад 13 млн. гривень при повному виконанш програми погашения шахт в npoueci реструктуризацп вугшьно!

ромисловосп Украши. Рекомендаин дано! робота пришит проектними тститутами при погапгешн вуплышх шахт, що закриваються.

Обгрунтовашсть 1 достов1ршсть отриманих висновюв ! рекомендаций абезпечуеться застосуванням фундаментальних положень термодинамики езворотних процеа'в в комплекс! з натурними спостереженнями обвалених [асивш; коректним застосуванням теорп нечпких множин 1 нейронних мереж для рогнозування часу обвалення ! вибору рацшнально'! технолог!! його запоб!гання; адовшьним збшом яысних \ юльюсних характеристик мехашзму тривалих зрушень, триманих розшши методами дослщжень: натурними спостереженнями, ф!зичним ! омп'ютерним моделюванням; статистично значущим об'емом лабораторних ! тахтних експеримент!в ! зб!гом, в межах 30%, розрахункових ! фактичних значень асу провалу устя стволу.

висновки

Дисертац!я е заюнченою науково-дослщною роботою, в якш науково бгрунтовано механ!зм тривалих зрушень земно! поверхш над покиненими оризонтальними виробками неглибокого розташування ! навколо вертикальних гвол!в. На його шдстав! виршена актуальна науково-прикладна проблема творения геомехашчних основ запоб!гання обвалень ! забезпечення стшкост! гмно! поверхш над погашеними шахтами, що мае важливе значения для угледобувно! галуз! Украши.

Основш науков!! лрактичш результата робота полягають у наступному.

1. Теоретично, за допомогою термодинамшг незворотних процеав, становлено, що управл!ння станом масиву над погашеними похилими стволами оцшьно засновувати на трьох принципах: а) штучне збшьшення трпдинуватост!! устотност! обвалених пор!д; б) штучна дезор!ентац!я блоюв порщ, що бвалюються; в) збшьшення довгов1чност1 порщ, що ще не обвалилися, ! фжсащя их, що обвалилися рашше. Виявлений зв'язок двох перших чинник!в з трспм игщно використати для управл!ння масивом г!рських порщ навколо погашено! тхти.

2. Тривал! зрушення товши розвиваються у час! ! простор! неврегульованими диничними обваленнями, внаслщок чого загальна висота зони обвалення грибкопод!бно зростае через нерегулярш штсрпали часу. При цьому практично емае помггао! залежносп мЬк висотою кожного единичного обвалення ! часом ого реагазацп (коеф!ц!ент кореляцп склав не бтьше за 0,16), що св!дчить про ерегуляршсть! погану псредбачуважсть розвитку руйнування у час!.

3. Встановлено питому вагу вщносно слабкого ! водносно мщного шаров ороди у розвитку процесу тривалих зрушень над погашении похилим стволом {

виробками неглибокого розташування. Зареестрований ефект згасання тривал! зрушень по Mipi наближення до мщного шару. Грани щ зрушення порщ у площи nepepi3 виробки сходиться шд гострим кутом 45-60° до шдошви мщного шар Таким чином, при достатнш потужноеп (не менше за 1/3 висоти виробки) i м1днос по вщношенню до рядових порщ (70-80 МПа або вдв!ч1 вище за мщшсть шип порщ), цей шар зупиняе процес руйнування вище розташовано! то вин i невизначено тривалий термш.

4. При вщношенш товщини портдного перекриття виробки Н до а висоти бшьшому п'яти, вдатена тенденщя до плавного прогину noBepxHi з характерно мульдою зрушення. При зменшенш цього вщношення нижче критичного H/h < 4 спостериаеться провал трубопод1бно1' форми; при цьому гранищ зрушеш однорщно! товщ! порщ мають вертикальну ор1ентацио. При наявпост1 в товцц пор слабкого (в поргвпянш з рядовими) шару процес руйнування починае розвиватж вщ нього та призводить до нахилу границь зрушення шд тупим кутом до поверх (110-120°). Слабкий шар (потужшспо 0,80 висоти виробки i мщшспо менше : 0,24 мщносп шшого масиву) в порщнш товцц, що обвалюеться, е провокуючо ланкою, яка сприяе значному зростанню зони обвалення, висота яко! перевищуе декшька разш потужшсть найслабюшого шару. Вщбуваеться це внаслвдок йо! руйнування i висипання на величину, що перевищуе ширину оголення, що, в сво чергу, ягасно змшюе зону руйнування над виробкою i3 замкнено! склепождабно! i роз!Мкнену, що виходить на поверхню.

5. Пщкреслена ¡стотна роль штучного розпушення i дезор1ентацп фрагмент масиву в зменшенш юнцево! величини провалу або мульди зрушення. Вони значг знижують актившсть зрушення у чаи над виробкою неглибокого розташуванн Доведено, що збшьшення штервалу, на якому проводиться штучне розщщьнеш товий, зменшуе величину и усщання над покиненою виробкою. Так, пр природному обваленш площа мульди провалу у вертикальному перетиш дор1внк 43% вщ площ1 перетину покинено! виробки; при здшсненш штучного розщшьненг на штерваш 1,5 висоти виробки в п покр)вл1 площа мульди меншае до 32%, тобто 1,3 рази. При здшсненш такого розщшьнення в покр1вл1 на штервал11,7/г i в грун - 0,8h це зменшення становило 5,5 рази.

6. Встановлено новнй мехашзм тривалого руйнування порщ, що вмшд; покинений або погашений вертикальний ствол. У зош наноив вщбуваетьс накопичення пошкоджень, що примикають до устя стволу порщ з подальшим : обваленням i стохастичним формуванням несиметричного конуса обвалення. Пр цьому об'ем зруйнованих бшьш мщних порщ, що примикають до слабого шар; ¿шщатора руйнування, може в 4-5 раз перевшцувати об'ем зруйнованих слабки nopia. У глибиншй частиш стволу, навколо ослаблених прошармв порщ i MicL порушення umiCHOCTi крапления, руйнування виникають виб^рково i не симетричн

По \iipi розвитку тривалих зрушень порожнина обвалення перемщуеться вгору 1, в юнцевому результат!, змикаеться з конусом обвалення устя стволу, що призводить до катастроф1чного провалу поверхш.

7. Дренування вод сприяе интенсивному вимиванню тонких фракцш, !х перерозподшу у низ засипки, що викликае просадку останньо! з випорожненням стволу по висото на десятки 1 сотш метр ¡в. У результат! тиск засипки не титьки на дно стволу, але й на перегородки або упорш пробки зростае до величини, близько! до геостатично!, створюючи реальш передумови для прориву засипки в тдземн! виробки, що примикшоть.

8. Встановлено залежшсть Д1аметру, глибини кратеру обвалення устя стволу 1 часу його провалу теля погашения стволу вщ глибини стволу, кута укосу б1чно1 стонки кратера, коефвдента розпушения обвалено! породи, диаметра стволу 1 мщносто порщ. 3!ставлення розрахункового 1 фактичного значень часу провалу устя стволу показало задовшьну зб1жшсть в межах 30%.

9. Розроблеш нов! способи запобггання або зменшення небезпеки провал1в земно! поверхн! над погашеними похилими стволами ! виробками неглибокого розташування: а) вибухопщбутовка шдробленого масиву; б) примусове обвалення зависло! товнн; в) посилення зависло! товни. Встановлен! рацюнальш параметри цих способ!в в залежност! вщ г!рничо-геолог!чних ! торничотехшчних умов, а також вщ стану поверхневих споруд. Рекомендована доцшьтсть комбшування вс!х вищезгаданих способ!в, зокрема, поеднання вибухоп!дбутовки навколо покинено! виробки або порожнини з посиленням основи безпосередньо у поверхн!.

10. Автором вдосконалеш ¡снуюч! ! розроблеш нов! способи погашения або консервацн стволхв шахт, що закриваються. Удосконалення засноваш на виявленн! нестойких д!льниць кршлення перед погашениям стволу, обгрунтуванш заход!в ! плануванн! роб1т по посиленню цих д!льниць. Пщготовлений у такий спос!б ствол може бути затоплений водою на заздатепдь узгоджений ¡з замовником пром!жок часу, протягом якого гарантуеться його стойкий стан, або може бути засипаний пустою породою. Це забезпечуе безпеку експлуатаци земно! поверхн! за рахунок гарантовано! стшкосто стонок стволу протягом заданого замовником часу.

И. Розроблена конструкц!я ! обгрунтована ефективн!сть нового розп!рного пристрою для посилення стонок стволу. Ним е навантажена оптимальною вагою засипки склепопод!бна перемичка в форм! параболоща обертання з параметрами: товщина в центр! - 0,2И - д!аметр стволу), стрша пщйому в центр! - 0,4с/, глибина закладення - 0,3й, ширина опорно! п'яги - 0,3^, кут нахилу п'яти мембрани до горизонту - 35-40°. Показано, що така перемичка, створюючи напружений стан в стшках стволу ! вмщуючих породах, сприяе !'х тривал!й стойкосто: вона зменшуе р!вень критичних напружень в прилеглому масив! пор!д в 3, а в сам!й перемичц! -в 1,5 рази шляхом трансформаци втцезгаданого навантаження в

об'емний напружений стан в мюцях закладення перемички. У результат максимальш дотич!П напруження зменшуються в 1,5 рази, а область Ix локатзаци перемпцуеться углиб масиву, що сприяе його тривалЙ! стшкостг

12. Запропоксвано новий критерш стшкост1 стшок стволу, що шдлягае консервацн. В цьому критерн враховат залишкова несуча здобшсть крапления перед погашениям стволу, величина тектошчно! активноси i стшюсть порщного оголення. Розроблена нова експертна система вибору рашональних р^шень по управлшню г1рським масивом над покиненими шахтами при довшьних початкових умовах. У Ii основу покладеш ще! теорп неч!гких множин, реалЬоваш в форм! нейронно! мереж1.

13. Результата розробок пройшли промислов! випробування i впроваджеш при погашенш вертикальних ствол1в в nponeci закриття шахт i шахтоуправлшь iM. Фел!кса Кона, Червона Sipua, Куйбишсвське, Мушкеттнська-Вертикальна i ГКвденно-Донбаська№1. Рекомендаш! автора використаш шститутом Дондшрошахт при складанш проект погашения вугшьних шахт Мушкет1вська-Вертикальна, Заперевальна№1, 60-р1ччя Украши, ш/у Червона 3ipxa. Для умов Захщно! Biprim! (США) розроблеш i передан! рашоналып параметри технологш запобшання провалам земно! поверхн! над погашеними похилими стволами i покиненими шахтами неглибокого розташування. Тимчасов! вказ!вки до погашения вертикальних ствол!в, затверджен! теруправлшням Держнаглядохоронпрац! по Донецькш области як нормативний документ для ведения po6iT по закриттю шахт ДК "Укрвуглереструктуризацш". Загальний економ!чний ефекг вщ реашзацй розробок автора на Украш в ц!нах 1999 року становив 850 тис. гривень на piK. Рекомендацп дано! робота прийшгп проектними шститутами, що розробляють техн!чну документацйо погашения вупльних шахт, що закриваються.

OCHOBHI ПОЛОЖЕНИЯ IРЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦН ОПУБЛ1КОВАН1В

НАСТУПНИХ РОБОТАХ:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

10. Комплексное решение отработки выемочных столбов и обеспечения устойчивости выработок путем их надработки / Бугара М.И., Коломиец В.А., Слипко А.А., Щербаков В.А., Звягильский E.JI. // Известия ДГИ - ДонГТУ. - 1999. -№1. - С. 3-5.

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

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

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

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

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

16. Звягильский Е.Л. Исследование напряженного состояния ограждающей перемычки и прилегающих к ней пород погашенного вертикального ствола

поляризационно-оптическим методом // Геотехническая механика. Днепропетровск: Полиграфист. - 1999. - №13. - С. 65-71.

17. Звягильский E.JI. Алгоритм выбора мероприятий по предотвращеник обрушения поверхности над заброшенными шахтами И Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ. - 1999. - №7. - С. 48-49.

18. Звягильский E.JL Оценка риска провала поверхности над заброшенным! шахтами с помощью ТДР мониторинга // Известия ДГИ - ДонГТУ. - 1999. - №2. С. 9-13.

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

20. Звягильский E.JI. Анализ данных обследования процесс; прогрессирующего сдвижения над шахтой Кирунавара // Маркшейдерский вестник - 1999,-№2.-С.21-23.

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

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

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

24. Nazimko V.V., Zviagilsky E.L. A knowledge base system for ground contro over abandoned mines // Proc. Int. Conf. Mine planning and Equipment selection 1999 & Mine environmental and economical issues 1,999. - Dnepropetrovsk: MMUU. - 1999. ■ P. 777-782.

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

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

27. Розшрна перемичка для консервацн вертикального стволу: Патент У крап» 99063126 / ЗвягшьськийЮ.Л., Назимко В.В., Александров С.М.; Заявлено 08.06.99.

28. Cnoci6 консерваци вертикального стволу: Патент Украши 99063127 Звяллъський Ю.Л., Назимко В.В., Александров С.М.; Заявлено 08.06.99.

29. Звяпльсышй Ю.Л. Законолпрносп обвалення поверхш над виробками мшкого залягання // Проблеми х4рського тиску. - Донецк: 1НФО. - 2000. - №4. -С. 103-107.

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

31. Звягильский E.JI. Расчет параметров провала устья вертикального ствола погашенной шахты Н Геотехническая механика. - Днепропетровск: Полиграфист. -2000.-№18.-С. 26-31.

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

Особистий внесок автора в публкац1ях, написаних в cniBaBTopcTBi, складаеться в наступному. У робот! [1] запропонував на основ! анагазу ентропп, як функци порушеносп' масиву, використати штучну дезоркнтацно порщних блоков i штучне збшьшення трпцинуватосп для можливоеп збшьшення довгов1чносп' порт, ям ще не обвалилися. У роботах [5,24] видшив i обгрунтував чинники, що визначають BuGip технологи запобнання провалу над покиненою шахтою, сформулював правила для застосування в теори нечггких множин. Обгрунтував чинники для застосування в нейроннш мерою i виконав анализ вихщних даних на Б1дповщшсть дшсним умовам застосування заходов. У роботах [7,32] обгрунтував методи i початкш умови моделювання, зробив aнaлiз результате i отримав основш висновки. У робот1 [8] провыв анатз натурних спостережень i обгрунтував рацюнальш параметри комп'ютерних, а також об'емних фпичлих моделей. У po6oTi [9] обгрунтував застосування легких випробувальних установок для умов екв1валентного моделювання. У статп [10] обгрунтував повне виймання охоронного цшика для зменшення шидливого впливу шдробки noeepxHi. При розробш методу комп'ютерного моделювання дискретними елементами [11] обгрунтував необхщшсть введения ряду умов для можливоеп моделювання порщного масиву. У роботах [15, 26] обгрунтував застосування нових технологий погашения виробок в залежносп вщ початкових прничо-геолопчних i прничотехшчних умов. Внаслщок анашзу штегрованого мошторингу тривалих зрушень над шахтами [19], що добувають поташ, отримав висновок про необхщшсть управлшня станом мщних порщ над покиненими шахтами для запобкання обвалень товнп. На шдстав! ретроспективного анатзу провалу в мкщ розташування шурфу i розгляду стану ш'дготовчих виробок в робота [23] визначив виршальну роль води в епйкосп прських виробок. В патентах [27,28] запропонував основш ще], а саме -парабол1чш'сть перемички та виб1ркове зм]'цнення CTinoK стволу перед його закриттям.

АН0ТАЦ1Я

Звягшьський Ю.Л. Гсомсхашчш основи залоби-ання обвалень земно!' поверх! над шахтами, що лжвщуються. - Рукопис.

Дисертац1я на здобуття вченого сгупеня доктора техшчних наук з спещалын'стю 05.15.11 "©¡зичш процеси прничого виробництва". Донецьки державний техшчний ушверситет. - Донедьк, 2000.

За допомогою ф1зичного i комп'ютерного моделювання, а також натурни спостережень дослщжено довготривале опускания поверхш навколо покинута шахт. Встановлено, що шар мешно! потужносто обвалюеться частице, короткочасне обвалення вщбуваеться частоте довготривалого. Однак стойк корелящя м!ж товщиною шару прсько! породи i часом на йото обвалення н зареестрована. Руйнування поверхн! навколо вертикального стволу вщбуваеться такш послщовносто. Спочатку вщбуваеться руйнування масиву г:рськнх порщ бш устя стволу з формуванням кошчно! воронки, яка може обвалится. Засипка ствол осщае п!д даею дренажу води i ствол стае пустим. Частина стволу, що пусту( руйнуеться гид даею прського тиску. При цьому поверхня стволу обвалюеться його порожнину асиметрично, вибираючи слабкшп зони i локальш облает!. Кол пщземш пустота, що утворилися, зливаються i досягають воронки на поверхн вщбуваеться катастроф!чне обвалення. Для прогнозу можливих розм!р!в воронк виведеш спещальш емп!ричн1 формули. Bn6ip оптимально! технологи запобшанн ус!данню поверхн! над покиненою шахтою зроблений за допомогою метод! нечггко! логйси i нейронно! мереж!. Для забезпечення довготривалох ст1йкосто уст погашеного вертикального стволу розроблена нова технолопя i нова парабол!чн перемичка. Запропоноваш автором практичн! рекомендац!! пройшли усп!шн випробування i впроваджен! в промисловють.

Ключов! слова: провал, земна поверхня, запоб!гашш, ствол, покинена шахта.

ABSTRACT

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

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

Long term behavior of rock mass over abandoned mines has been investigated b physical, computer modeling and by actual measurement in situ. The less thickness of rock layer the more probability of its fall in elapsing time. Short period falls occur mor frequently than long period ones. However there is no correlation between the thickness с a rock layer and the period of its caving. Deterioratioa of surrounding vertical shaft roc! mass occurs by the next two ways. Rock mass durability deteriorates near a shaft inout

>rming cone crater that may cave down. Filling of the shaft subsides due to underground rater drainage and the shaft becomes empty. Emptied section of the shaft deteriorates tider ground pressure effect. Shaft walls fall asymmetrically, selecting the weakest spots id local areas. When underground cavities collide together and meet the crater zone, itastrophic fall occurs. Formulae were found to predict possible dimensions of crater fall, uzzy neural network has been developed to select optimal technology for subsidence revention over an abandoned mine. New technology of shaft conservation has been eveloped and new parabolic plug was designed to reinforce a shaft mouth, ecommendations were successfully tested and introduced in industry.

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

АННОТАЦИЯ

Звягильский EJI. Геомеханические основы предотвращения обрушений земной оверхности над ликвидируемыми шахтами. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по пециальности 05.15.11 "Физические процессы горного производства", Донецкий эсударственный технический университет. - Донецк, 2000.

Существующие технологии управления состоянием массива над брошенными шахтами неэффективны и не обеспечивают безопасность эоружений и объектов на поверхности. Механизм длительных сдвижений над брошенными шахтами и стволами почти не изучен. Это приводит к постоянной пасности при эксплуатации земной поверхности и высоким затратам на иквидацию ее провалов, обуславливает особую актуальность изучения процесса олговременных сдвижений в окрестности погашенного или заброшенного ертикального ствола для решения проблемы предотвращения провалов земной оверхности при ликвидации шахт.

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

С помощью физического и компьютерного моделирования, а также натурными аблюдениями исследован процесс длительного сдвижения поверхности и горного ассива над заброшенными шахтами. Установлено, что этот процесс развивается во ремени и в пространстве неупорядоченными единичными обрушениями, в езультате чего общая высота зоны обрушений скачкообразно возрастает через ерегулярные интервалы времени. Выявлено, что слои меньшей мощности брушаются чаще, а обрушения через короткие интервалы времени происходят акже чаще, чем через длительные. Однако статистически устойчивая зависимость

между высотой каждого единичного обрушения и временем его реализац) отсутствует (коэффициент корреляции не более 0,16), что свидетельствует о iuioxi предсказуемости существующими методами развития разрушений пород времени. Длительные разрушения пород в окрестности заброшенного и. погашенного вертикального ствола происходят в зоне наносов в виде накоплен поврежденностей примыкающих к устью ствола пород с последующ! стохастическим формированием несимметричного конуса обрушения. В глубин» части ствола, в окрестности ослабленных прослоек пород и в местах нарушен целостности крепи разрушения возникают избирательно и по мере развит длительных сдвижений полость обрушения перемещается вверх, в конечном ито смыкаясь с конусом обрушения устья ствола, что приводит к катастрофическо: провалу поверхности. Для определения возможных размеров провальной ворон предложены специальные эмпирические формулы. Скачкообразной просад засыпки погашенного ствола способствует действие дренирующих вод, приводят к интенсивному вымыванию мелких фракций, их перераспределению вниз засыпк В результате давление засыпки не только на дно ствола, но и на перегородки и: упорные пробки растет до величины, близкой к геостатической, создавая реальш предпосылки для прорыва засыпки в примыкающие подземные выработки. Выб' рациональной технологии предотвращения провалов поверхности выполнен помощью нечеткой логики и нейронных сетей. Для обеспечения длителью устойчивости устья ствола разработана новая конструкция параболически перемычки.

Достоверность полученных выводов подтверждается: удовлетворительнь совпадением качественных и количественных характеристик механизма длительш сдвижений, полученных независимыми методами исследований (на физически компьютерных моделях и в натурных условиях); совпадением в пределах 30 расчетного и фактического времени провала устья ствола; корректным применен» теории нечетких множеств и нейронных сетей для предсказания времени обрушен и выбора рациональной технологии его предотвращения.

В результате проведенных исследований разработаны новые спосо( управления состоянием массива над погашенными и заброшенными горны? выработками, создана экспертная система выбора рациональных решений i управлению горным массивом над закрывающимися шахтами, обоснованы критер] устойчивости подлежащих консервации стволов и параметров способов управлен состоянием массива в местах закрытия шахт.

Результаты разработок прошли промышленные испытания и внедрены п] погашении вертикальных стволов в процессе закрытия шахт и шахтоупраален! им. Феликса Кона, Красная Звезда, Куйбышевское, Мушкетовская-Вертикальная Южно-Донбасская №1. Рекомендации автора использованы институте

.онгипрошахт при составлении проектов погашения угольных шахт Мушкетовская-ертикальная, Залеревальная№1, 60-летая Украины, п1/у Красная Звезда. Для :ловий Западной Вирджинии (США) разработаны рациональные параметры 2хнологий предотвращения провалов земной поверхности над погашенными аклонными стволами и заброшенными шахтами мелкого заложения. Разработанное а основании результатов исследования временное руководство по погашению фтикальных стволов утверждено территориальным управлением оснадзорохрантруда по Донецкой области в качестве нормативного документа для щения работ по закрытию шахт государственной компанией Укруглереструктуризация".

Ключевые слова: провал, земная поверхность, предотвращение, ствол, (брошенная шахта.