автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.01, диссертация на тему:Научные основы прогнозирования развития техногенных водорпроводящих трещин при выемке свит угольных пластов под водными объектами

На правах рукописи

ГУСЕВ Владимир Николаевич

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАЗВИТИЯ ТЕХНОГЕННЫХ ВОДОПРОВОДЯЩИХ ТРЕЩИН ПРИ ВЫЕМКЕ СВИТ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ПОД ВОДНЫМИ ОБЪЕКТАМИ

Специальность 05.15.01 - Маркшейдерия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2000

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном горном институте им.Г.В.Плеханова (техническом университете).

Официальные оппоненты. доктор технических наук, профессор ВА.Гордеев, доктор технических наук, профессор Е.И.Рыхлюк, доктор технических наук, профессор О.В.Ковалев

Ведущая организация: ОАО «ВНИИгалургии».

Защита диссертации состоится_ 2000 г.

в_ч_мин на заседании диссертационного совета

Д 063.15.03 при Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В.Плеханова по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд._.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан_2000 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета, к.т.н., доцент

В.И.ОЧКУРОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы работы. Одно из направлений повышения эффективности угледобывающей промышленности тесно связано с рациональным использованием недр в части сокращения потерь угля в целиках различного назначения. Существенной составляющей при этом являются целики под водными объектами (руслами и поймами рек, озерами, искусственными водоемами, шламоотстойниками, обводненными породами и др.), запасы в которых только в Кузбассе составляют более 250 млн. т.

Вовлечение в эксплуатацию этих запасов связано со сложными процессами образования зон техногенных водопроводящих трещин в слоях подработанного массива горных пород. Для условий первичной и особенно повторной подработок водных объектов в настоящее время нет достаточно обоснованной геомеханической модели процессов образования зон трещин в массиве горных пород, гидравлически связанных с очистными выработками.

Повысить точность прогноза развития зон водопроводящих трещин как обоснование уменьшения потерь в целиках, а также управлять процессами, снижая степень нарушснности техногенными водопроводящими трещинами, можно на основе установления механизма деформирования и образования в подработанных слоях массива техногенных трещин, включая водопроводящие. Поэтому актуальность темы работы заключается в возможности определения условий выемки свит угольных пластов под водными объектами с минимальными потерями запасов в целиках и охране указанных объектов посредством геомеханического обоснования методов прогноза распространения в подрабатываемой толще зон водопроводящих трещин.

Цель работы - разработка научных основ оценки нарушенное™ массива горных пород техногенными водопроводящими трещинами и методов управления этими процессами, обеспечивающих оптимальные условия отработки угольных пластов под водными объектами: сокращение потерь угля в предохранительных целиках без снижения уровня безопасности ведения горных работ.

Идея работы заключается в выявлении и учете влияния горно-геологических факторов в геомеханических процессах образования зон водопроводящих трещин в условиях первичной и повторных подработках массива горных пород и определении закономерностей протекания этих процессов.

Задачи исследований:

1. Разработка и совершенствование способов специальных гидрогеологических исследований зон водопроводящих трещин и методов определения сдвижений и деформаций слоев массива горных пород, а также методики интерпретации результатов наблюдений при применении указанных методов.

2. Установление общих закономерностей сдвижений и деформаций слоев массива горных пород при его первичной и повторной подработках.

3. Разработка в качестве основы прогнозных расчетов геомеханической схемы протекания процессов деформирования толщи и образования в ней техногенных трещин, в том числе водопроводящих, при первичной и повторной подработках слоев.

4. Выявление зависимости интенсивности развития зон техногенных водопроводящих трещин от литологического состава пород, слагающих толщу, и от распределения в ней пород с различными физико-механическими характеристиками.

5. Для сложных горно-геологических условий протекания геомеханических процессов при повторных подработках определение закономерностей накопления деформаций кривизны на верхней границе зоны водопроводящих трещин и соответствующее этому накоплению изменение положения этой границы.

Методика исследований. Поставленные в диссертационной работе научные задачи решались путем комплексного применения следующих методов:

- анализ и обобщение опыта подработки водных объектов и результатов исследований геомеханичсских процессов в массиве горных пород;

- специальные гидрогеологические и геофизические методы исследования физического состояния подработанных пород массива и методы определения деформаций массива;

-имитационное моделирование условий деформирования слоев массива при его многократных подработках на образцах пород в процессе их испытаний на разрушение;

- аналитические исследования напряженного состояния слоев массива горных пород с использованием теории кривых давления;

- методы математической статистики для дисперсионного и корреляционного анализов.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. При выемке первого пласта свиты в массиве образуется зона водопровода щих трещин (ЗВТ), представляющая собой две взаимно перпендикулярные системы трещин техногенного характера: трещин расслоения с последующим отслоением и сквозных нор-мальносекущих слои трещин.

В слоях над ЗВТ, в соответствии с распределением кривизны слоев обратно пропорционально квадрату расстояния до пласта, уменьшается проникновение нормалыгосекущих трещин. Первый слой с граничным значением кривизны, начиная с которого такие техногенные трещины проникли не на всю его мощность, принимается за верхнюю границу ЗВТ. Положение в массиве этого слоя с изгибом, равным граничной кривизне, зависит от литологического состава пород толщи и сочетания в ней местоположений слоев с различными физико-механическими свойствами.

2. Процессы сдвижений и деформаций в массиве горных пород при повторных подработках протекают в пределах техногенных структурных образований в слоях массива, сформировавшихся от его первичной подработки. Вследствие этого в зоне полных сдвижений изгиб вышележащего слоя повторяет изгиб нижележащего, расширения массива в вертикальном направлении не происходит. При этом величина кривизны любого слоя зависит не от его положения относительно разрабатываемого пласта, согласно существующим представлениям, а от мощности толщи между разрабатываемым пластом и поверхностью.

Многократные изгибы от повторных подработок, не превосходящие по величине граничную кривизну, способствуют образованию ядра текучести в ненарушенных нормальносекущими трещина-

ми участках слоя. Это увеличивает кривизну изгиба, при которой образуются сквозные нормальносекущие трещины.

3. За пределами зоны полных сдвижений, при различной степени совпадения границ выработок по пластам свиты, происходит соответствующее этому совпадению накопление деформаций массива. При превышении накопленными деформациями уровня, при котором образовались техногенные трещины, верхняя граница зоны водопроводящих трещин переместится в один из вышележащих слоев. Величина этого перемещения пропорциональна корню квадратному из указанного выше превышения накопленных деформаций.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается:

- использованием обширного опыта подработки водных объектов, фундаментальных положений теории сдвижения массива горных пород и земной поверхности, механики горных пород, теории кривых давления, теории вероятности и математической статистики, теории ошибок;

- данными комплексных экспериментальных исследований, включающих наблюдения за сдвижением глубинных (скважинных) реперов, специальные гидрогеологические и геофизические исследования;

- сопоставимостью результатов теоретических исследований с результатами натурных и лабораторных экспериментов;

- удовлетворительной сходимостью прогнозных параметров зон водопроводящих трещин с экспериментальными данными комплексных исследований;

- положительными результатами практического использования разработанных методик расчета и рекомендаций по оптимальной выемке пластов под водными объектами.

Научная новизна заключается:

- в установлении зависимости граничной кривизны от совместного влияния литологического состава пород толщи и местоположения составляющих ее пород с различными физико-механическим характеристиками. Первая составляющая определяется содержанием в толще пород глинистого состава, вторая составляющая, согласно теории кривых давления, определяется как относительное положс-

ние центра давлений, передаваемых при изгибе слоев с определенными механическими характеристиками.

- в доказательстве того, что, в силу сформировавшихся структурных техногенных образований от выемки первого пласта свиты, распределение максимальной кривизны слоев при отработке второго и последующих пластов свиты в пределах зоны полных сдвижений зависит от мощности толщи над отрабатываемым пластом: кривизна любого из слоев толщи обратно пропорциональна квадрату мощности толщи над отрабатываемым пластом. Многократные изгибы слоев от повторных подработок, не превосходящие по величине граничную кривизну, увеличивают ее предельное значение, как минимум, в 1,3 раза;

- в разработке расчетной схемы определения величины перемещения верхней границы ЗВТ в вышележащие слои в соответствии с накоплением деформаций в массиве горных пород в процессе отработок пластов в свите, где учитывается влияние на развитие ЗВТ литологического состава пород толщи, сочетания в ней пород с различными физико-механическими характеристиками и распределение кривизны в повторно подрабатываемом массиве, что определяет новую закономерность развития ЗВТ в пределах зоны полных сдвижений.

Личный вклад автора состоит в организации, методическом руководстве и непосредственном участии в выполнении экспериментов в натурных условиях, лабораторных и аналитических исследованиях; разработке новых методов натурных исследований физического состояния массива; раскрытии механизма взаимосвязи деформаций и образования техногенных водопроводящих трещин в подрабатываемых слоях массива горных пород; установлении зависимостей для прогнозирования развития зон водопроводящих трещин для условий первичной и повторной подработок массива горных пород; разработке способов выемки пластов угля под водными объектами, основанных на управлении сдвижением и деформациями горных пород массива; в экспериментальном обосновании и теоретическом обобщении защищаемых научных положений.

Научное значение работы состоит в углублении и развитии представлений о геомеханических процессах в подрабатываемом

массиве горных пород при отработке свит угольных пластов, что позволило научно обосновать и разработать методы прогноза образования зон техногенных водопроводящих трещин и способы управления этими процессами под водными объектами.

Практическое значение работы состоит:

- в установлении зависимости граничной кривизны от лито-логического состава пород толщи и распределения в ней слоев пород с определенными механическими характеристиками, позволяющей существенно повысить точность прогноза местоположения слоя с кривизной равной граничной, то есть местоположение верхней границы зоны водопроводящих трещин при выемке угольного пласта;

- в разработке методики расчета развития зон водопроводящих трещин для сложных горно-геологических условий выемки свит пластов под водными объектами, позволяющей оценивать степень нарушенное™ массива горных пород техногенными трещинами и управлять деформациями при решении вопросов обеспечения оптимальных условий отработки в пределах зоны опасного влияния водного объекта;

- в разработке новых и усовершенствовании имеющихся методов получения физических характеристик подрабатываемого массива горных пород, позволяющих повысить объем и оперативность получения информации о геомеханическом состоянии слоев пород.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты исследований использованы в следующих нормативно-методических документах:

1. Рекомендации по определению безопасных условий выемки свит пластов под водными объектами. Л.: ВНИМИ, 1987.

2. Методические указания по наблюдениям за сдвижением горных пород и за подрабатываемыми сооружениями. Л.: ВНИМИ, 1987.

Кроме, того, результаты исследований были внедрены как практические рекомендации по безопасной выемке свит пластов под водными объектами на шахтах «Западная», «Чертинская», им. Кирова, им ..Ярославского ПО «Ленинскуголь», на шахте «Красногорская» ПО «Гидроуголь», на шахте «Капитальная» ПО «Интауголь».

В соответствии с программой П-207-7-Д освоения Добруд-жанского угольного месторождения (Болгария) были составлены и переданы болгарской стороне рекомендации по безопасному ведению горных работ при выемке свит пластов под водоносными горизонтами месторождения, в которых использованы основные результаты выполненных исследований.

Элементы теоретических и методических разработок диссертации внедрены в учебный процесс в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете) при чтении курсов «Маркшейдерское обеспечение безопасности работ вблизи опасных зон», «Статистические методы обработки маркшейдерских данных» для студентов специальности 090100 «Маркшейдерское дело»; «Основы охраны природных объектов и сооружений на поверхности при разработке МПИ» для специальностей 090200 «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых».

Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Молодые ученые и специалисты Кемеровской области - народному хозяйству» (Кемерово, 1977); на Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых (Москва, ИПКОН АН СССР, 1980); на научно-технических конференциях «Молодые ученые Северо-Запада- горному производству» (Ленинград, ВНИМИ, 1981-83); на Всесоюзной научной конференции «Охрана геологической среды от отрицательного воздействия предприятий горнодобывающего профиля» (Москва, МГУ, 1983); на I Всесоюзном съезде инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов «Проблемы инженерной геологии, гидрогеологиии и геокриологии районов интенсивной инженерной нагрузки и охрана геологической среды» (Киев, ИГН АН УССР, 1988); на заседаниях секции сдвижения горных пород ВНИМИ (Ленинград, ВНИМИ, 1977-87); на научно-технических заседаниях кафедры шахтного строительства горного факультета СевероВосточного университета (при прохождении шестимесячной научной стажировки в Китае, г.Шеньян, в 1995-96); на заседаниях кафедры маркшейдерского дела СПГГИ(ТУ) (Санкт-Петербург, 1996-99).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 40 работ, в том числе 1 монография, 12 авторских свидетельств на изобретения,

2 нормативно-методических документа.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 232 наименований^ том числе 8 иностранных, приложений, изложена на 253 страницах машинописного текста, содержит 78 рис. и 24 табл.

В первой главе приведен анализ состояния изученности проблемы, включающий рассмотрение опыта подработки водных объектов и результатов имеющихся непосредственных определений высоты зоны водопроводящих трещин в комплексе с определениями деформаций слоев массива. Во второй главе изложены специальные гидрогеологические и геофизические методы определения верхней границы зоны водопроводящих трещин и предложения по усовершенствованию этих методов. Третья глава посвящена исследованиям геомеханических процессов в подрабатываемых слоях массива, в результате которых образуются техногенные трещины, в том числе и водопроводящие.. В четвертой главе с учетом результатов натурных и лабораторных исследований разработана гсомеханическая схема развития сдвижений и деформаций с образованием техногенных трещин. В пятой главе приведено теоретическое обоснование геомеханической схемы и на этой основе разработан прогноз развития техногенных водопроводящих трещин при первичной и повторных подработках. В шестой главе изложены технические приложения разработанной модели образования зон техногенных водопроводящих трещин к решению вопросов безопасной подработки водных объектов. Результаты производственного внедрения научных разработок показаны в седьмой главе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. При выемке первого пласта свиты в массиве образуется зона водопроводящих трещин (ЗВТ), представляющая собой две взаимно перпендикулярные системы трещин техногенного характера: трещин расслоения с последующим отслоением и сквозных нормальносекущих слои трещин.

В слоях над ЗВТ, в соответствии с распределением кривизны слоев обратно пропорционально квадрату расстояния до

пласта, уменьшается проникновение нормальносекущих трещин. Первый слой с граничным значением кривизны, начиная с которого такие техногенные трещины проникли не на всю его мощность, принимается за верхнюю границу ЗВТ. Положение в массиве этого слоя с изгибом равным граничной кривизне, зависит от литологнческого состава пород толщи и сочетания в ней местоположений слоев с различными физико-механическими свойствами.

Существенный вклад в развитие представлений о процессах сдвижений и деформаций горных пород внесли: С.Г.Авершин, А.Г.Акимов, В.И.Борщ-Компониец, В.Н.Земисев, М.А.Иофис, Д.А.Казаковский, М.А.Кузнецов, А.Н.Медянцев, Р.А.Муллер, Д.Н.Оглоблин, И.А.Петухов, Г.Л.Фисенко, А.С.Ягунов. Развитию теоретических основ геомеханики массива горных пород в значительной степени способствовали работы К.А.Ардашева, А.А.Борисова, Л.М.Качанова, А.М.Козела, Г.Н.Кузнецова, С.Т.Кузнецова, М.П.Мохначева, А.А.Орлова, И.М.Петухова, Ю.Н.Работнова, К.В.Руппенейта. Проблеме безопасности подработки водных объектов посвящены работы: С.Г.Авершина, Е.В.Бошенятова, Б.Я.Гвирцмана, Г.М.Гелашвили, Н.Н.Кацнельсона, А.С.Миронова, Ю.Н.Нисковского, Ю.А.Норватова, В.П.Самарина, Ф.П.Стрельского, И.В.Хохлова.

При подработке слоев толщи, вследствие их изгиба, происходит расслоение по контактам. Следствием этого процесса является фиксация отслоений непосредственными наблюдениями за сдвижением и деформациями толщи. Анализ результатов наблюдений за сдвижением слоев толщи позволил установить следующую закономерность распределения максимальных деформаций кривизны в слоях толщи: значение кривизны слоя обратно пропорционально расстоянию от этого слоя до разрабатываемого пласта. Механический смысл этой закономерности заключается в том, что нижележащий слой изгибается сильнее вышележащего. За счет этого образуются полости отслоения. Характерный график распределения относительных величин отслоений (вертикальных деформаций по оси скважины) в первичной подработанном массиве представлен на рис. 1. Аналогичные распределения были получены по другим сква-

Л, м

10 15 20 25 30 35 40 45 50

* 120 &3

100 80 60 40 20

+

О 8010, 1/м

масштаб эпюр:

Рис.1. Вертикальные деформации по оси скважины № 14795 (ш. «Октябрьская») на различном расстоянии от скважины до забоя в плане (Ь) и от пласта по вертикали (Н).

жинам, и во всех случаях было зафиксировано разуплотнение массива, при этом вертикальные деформации представлены преимущественно растяжением вдоль оси скважины.

Между полостями отслоений формируются слои определенной мощности, или пачки совместно прогибающихся без отслоений слоев. Предельные мощности этих слоев (пачек слоев), по данным натурных наблюдений за сдвижением слоев толщи, независимо от глубины их расположения, составили 2,0 м. Образование пачек между отслоениями примерно равной мощности в пределах первично подработанной толщи происходит за счет сил тяжести слоев.

В местах максимальных деформаций слоев толщи при их изгибах образуются нормальносекущие трещины, между которыми намечаются блоки. Поэтому, получив распределение деформаций кривизны в слоях толщи по данным наблюдений за сдвижением глубинных реперов, можно выделить в этих распределениях макси-

мальные значения положительной и отрицательной кривизны. Экстремальные значения кривизны соответствуют участкам слоя, в которых образуются нормальносекущие трещины, следовательно расстояние между соседними экстремальными значениями соответствует размеру блока. Таким образом, упомянутое расстояние из анализа распределений кривизны в слоях при интервалах измерения, соразмерных или меньших величины блоков, составило 5,0-7,0 м.

В зоне водопроводящих трещин нормальносекущие трещины - сквозные, то есть они пересекают на всю мощность слои или пачки совместно прогибающихся слоев. В результате эти трещины и трещины расслоения оказываются гидравлически связанными между собой и, следовательно, с выработанным пространством. По мере удаления от пласта деформации слоев уменьшаются согласно вышеприведенной закономерности. Соответственно уменьшается проникновение нормалыюсекущих трещин. Первый слой, выше которого упомянутые трещины проникли не на всю их мощность (ниже -они сквозные), является верхней границей зоны водопроводящих трещин (ЗВТ). Кривизна такого слоя функционально связана с лито-логическим составом толщи и носит название граничной кривизны.

Наличие в подработанном массиве двух зон, в одной из которых две системы техногенных трещин (нормальносекущие и расслоения) связаны гидравлически между собой, в другой, где этой связи не наблюдается, является основой гидрогеологических и геофизических способов натурного определения границы перехода одной зоны в другую, то есть определения верхней границы зоны водопроводящих трещин (высоты этой зоны). Натурные определения с помощью этих способов в комплексе с определениями деформаций слоев толщи, проведенные в Сучанском, Карагандинском, Донецком, Кизеловском и Кузнецком бассейнах, включая данные других определений, изложенных в диссертации, позволили выявить зависимость граничной кривизны от литологического состава пород толщи:

К, = 0,8ел • /О 3,1/ м , (1)

где /С - граничная кривизна; А - содержание пород глинистого состава (алевролитов, аргиллитов, глинистых сланцев и пр.) в долях от подрабатываемой толщи; е - основание натуральных логарифмов.

Высота зоны водопроводящих трещин связана с мощностью пласта и граничной кривизной следующей зависимостью

Нт = 2 — . (2)

Подставив в формулу (2) вместо Кг ее аналитическое выражение (1), получим

Нт = 70у}те'А . (3)

Разброс отдельных фактических значений граничной кривизны от получаемых по формуле (1) достигает

1,64-10 1/м при среднем квадратическом отклонении 0,35-10"3 1/м. Такой характер распределения граничной кривизны позволяет прогнозировать высоту ЗВТ со средней квадратической ошибкой порядка ±10 м, при этом отдельные отклонения фактических значений высоты ЗВТ достигают 34 м.

Такой разброс значений граничной кривизны и высоты ЗВТ объясняется влиянием слоев различной мощности на распределение деформаций кривизны при их изгибе. С целью выявления зависимости кривизны слоев от их механических свойств, мощности и местоположения в подрабатываемом массиве была рассмотрена геомеханическая схема взаимодействия давлений между слоями пород при их изгибе. За основу была взята гипотеза плит в формулировке В.Д.Слесарева.

В общем случае характер напряженного состояния пород над выработкой и характер их деформирования определяется силами, связанными с весом подработанных пород над выработкой и с реакциями боковых пород, неподработанных этой выработкой. Из взаимодействия указанных сил можно получить дифференциальное уравнение давлений, интегрируя которое можно получить кривую давления в слое породы. Из анализа этой зависимости величина пролета слоя над выработкой, обеспечивающая отсутствие в породе растягивающих усилий, составит

где ст - предел прочности на растяжение; у - объемный вес породы; /? - мощность слоя породы.

При /</.; слой испытывает только упругие деформации, растягивающие напряжения при этом отсутствуют. При 1>Ь; в нижней части слоя появляются растягивающие напряжения. В результате слой будет испытывать как упругие, так и остаточные деформации. Появление остаточных деформаций означает, что слой будет испытывать изгиб, в середине пролета и по его краям появятся экстремальные значения деформаций. Такое состояние соответствует начальной стадии формирования блоковой структуры. Величина блока на этой стадии определится, как li=Li /2.

При дальнейшем увеличении выработанного пространства и, соответственно, при увеличении пролета слоя в середине его образуется пластический шарнир в результате появления растягивающих напряжений. При достижении этими напряжениями величины сопротивления пород растяжению возможно появление в слое нор-мальносекущих трещин. Условие появления трещины, определяемое из уравнения давления, имеет следующий вид:

. r _ oh ...

/ = Lu = 2 — , (5)

V у

При величине пролета слоя l< La значения растягивающих деформаций в середине слоя в его нижней части и по краям пролета в верхних частях достигнут величины, при которой появление нор-мальносекущих трещин будет неизбежным. Между этими трещинами будут образовываться блоки размером 1ц~Ьц/2. Таким образом, размер блока должен лежать в пределах 1\-йц.

Деформации слоев горных пород, их изгиб вызывает давление на нижележащие слои пород. Давление это всегда меньше веса столба пород над рассматриваемым слоем за счет частичного сохранения сопротивляемости боковых пород и самого слоя. Отсюда часть веса породы, равная yh-p, будет поглощена сопротивлением неподработанных боковых частей слоя, здесь р - давление со стороны единицы площади рассматриваемого слоя при изгибе на нижележащий слой. Учитывая это и условие (4), получим

, , ь2

р - yh-2a — . (6)

Реализация этого давления, то есть когда р достигнет максимума,

произойдет в случае отслоения и изгиба слоя определенной мощности hm. Для определения этого значения достаточно взять производную от р по h в уравнении (6) и приравнять ее нулю. Решив полученное уравнение относительно hm, получим:

е>

m j v '

4а

Необходимо учесть также степень восприятия нижележащим слоем давления р со стороны вышележащего слоя, то есть взаимодействие слоев при отслоении и изгибе. Учитывалось это через поглощенное давление в выражении для объемного веса нижележащей породы.

Согласно изложенной схеме были проведены расчеты для слоев толщи, вскрытых наблюдательными скважинами с глубинными реперами, пробуренными на полях шахт «Западная», «Пионерка», «Октябрьская». В результате получено, что мощности отслоившихся пачек слоев составили hm~0,9-2,0 м и размер блоков 1/л =6,9-10 м. Близкая сходимость с результатами натурных исследований, приведенных выше, доказывает адекватность выбранной геомеханической модели деформационным процессам, протекающим в массиве горных пород при его подработке. Кроме того, по каждому из рассматриваемых участков было получено распределение давлений слоев с учетом их взаимодействия при изгибе. Интегральной характеристикой определенного сочетания расположения и давлений изгиба слоев может служить фактическое положение центра давлений слоев (1ф) относительно центра при равномерном распределении слоев одинаковой мощности (L):

К

= (8) Xi

где с' - относительное положение центра давлений изгиба слоев в рассматриваемой толще; Ь'ф =2/»,/, fZpc, L=H/2; pi - давление при изгибе /-го слоя; /, - расстояние от пласта до /-го слоя; H - глубина разрабатываемого пласта. Величина передаваемого давления при изгибе слоя, как следует из геомеханической модели деформирования толщи, зависит от мощности слоев, которые отражают их весовые характеристики. Сравнительный анализ показал, что с' совпадает с относительным положением центра распределения мощностей

(масс) слоев, определяемого по формуле:

с = (9)

где с - относительное положение центра мощностей (масс) слоев; 1<ф 27; /п -фактическое положение центра распределения мощностей (масс) слоев; 1„ Н/2; Д /„ Н - см. формулу (8); п - количество слоев в толще. Фактическому положению слоев в толще соответствует фактическое распределение граничной кривизны (Кгф) по данным натурных определений. Определенному положению слоев соответствуют значения К?, рассчитанные по формуле (1). Поскольку зависимость (1) получена сглаживанием по принципу наименьших квадратов отклонений, то получаемые по ней значения Кг можно считать соответствующими равномерному распределению слоев толщи с примерно одинаковыми мощностями. Следовательно, С1=К,ф/ Кг также должно характеризовать относительное положение центра давлений изгиба или мощностей (масс) слоев. Расчеты и сравнение величин с', с и С/ подтвердили наличие изложенной закономерности. Отсюда граничную кривизну следует определять следующим образом.

/с = Кг ■с = 0,8еА(Ьф /1). 10 3, (10)

Подставив в формулу (2) вместо Кг ее значение, определяемое по формуле (Ю), получим

(1,)

В результате разброс значений Кгс, определяемых по формуле (10), от фактических значений граничной кривизны достигает 0,3 МО"3 1/м при среднем квадратическом отклонении ±0,08-10"3 1/м. Соответственно прогноз высоты ЗВТ осуществляется со средней квадратической ошибкой ±2,1 м. Таким образом, выявленная закономерность зависимости граничной кривизны от литологического состава толщи и местоположения слоев, слагающих толщу, позволяет существенно повысить точность прогноза развития ЗВТ над отрабатываемым пластом.

2. Процессы сдвижений и деформаций в массиве горных пород при повторных подработках протекают в пределах техногенных структурных образований в слоях массива, сформировавшихся от его первичной подработки. Вследствие этого в зоне полных сдвижений изгиб вышележащего слоя повторяет изгиб нижележащего, расширения массива в вертикальном направлении не происходит. При этом величина кривизны любого слоя зависит не от его положения относительно разрабатываемого пласта, согласно существующим представлениям, а от мощности толщи меяеду разрабатываемым пластом и поверхностью.

Многократные изгибы от повторных подработок, не превосходящие по величине граничную кривизну, способствуют образованию ядра текучести в ненарушенных нормальносеку-щими трещинами участках слоя. Это увеличивает кривизну изгиба, при которой образуются сквозные нормальносекущие трещины.

Часть комплексных исследований, которая относится к изучению процессов сдвижения и деформаций массива, проводилась на полях шахт Беловского, Чертинского, Ленинского месторождений Кузбасса. Исследовались закономерности деформирования первично и повторно подработанного массива.

Из анализа наблюдений за сдвижением слоев от выемки одного пласта следует, что нижележащий слой получает изгиб больший, чем у вышележащего, т.е. кривизна слоев уменьшается в направлении от пласта к поверхности. Это уменьшение обратно пропорционально квадрату расстояния от пласта до рассматриваемого слоя, что подтверждается во всех рассматриваемых случаях совпадением распределения максимальных значений кривизны в массиве с расчетными (рис.2).

За счет того, что кривизна нижележащего слоя больше вышележащего, массив получает расширение в вертикальном направлении, что видно из графика относительных отслоений (вертикальных деформаций по оси скважины с глубинными реперами), представленного на рис.1. Аналогичная картина распределений вертикальных деформаций получена по другим наблюдательным скважинам. При этом в процессе расширения массива образуются полости

отслоения, между которыми формируются пачки совместно прогибающихся слоев определенной мощности. В последних образуется блоковая структура за счет нормальносекущих трещин, зарождающихся в местах максимального изгиба слоя (пачки слоев). Качественная и количественная характеристики этих образований изложены выше.

0,0 1-1-1-1-1-

0 40 80 120 160 200 240 280 Расстояние от пласте 9, м

Рис.2. Изменение максимальной кривизны слоев с удалением от верхнего пласта в первично (кривая 1) и повторно (кривая 3) подработанной толще: 1,2 и 3 - максимальная кривизна , полученная соответственно по скв. № 7 (ш. «Пионерка»), по расчетному способу и по скв. № 1 (ш. «Пионерка»).

При повторной подработке слоев массива такой структуры в зоне полных сдвижений распределение максимальной кривизны подрабатываемых слоев качественно отличается от получаемого при первичной подработке: кривизна слоев в пределах повторно подрабатываемой толщи постоянна (см.рис.2) и по абсолютной величине равна кривизне на поверхности. Это означает, что изгиб вышележащего слоя повторяет изгиб нижележащего. Вследствие этого расширения в вертикальном направлении не происходит: вертикальные деформации, полученные из частотных наблюдений по оси скважины (рис.3), по абсолютной величине на порядок меньше, чем получаемые при первичной подработке (рис.1), и наблюдаются чередования положительных и отрицательных значений этих дефор-

Кт-1()3, 1/м 2,0 -

0,5

1,0

маций. Это и приведенный выше анализ результатов наблюдений за деформированием толщи указывает на то, что новых расслоений и блоков не образуется, - процессы совершаются в пределах тех структурных нарушений, сформировавшихся при первичной подработке. Совпадение распределений максимальных значений кривизны слоев повторно подработанного массива с максимальными значениями кривизны поверхности, получаемой расчетным способом (одно из которых приведено на рис.2), свидетельствует о том, что максимальная кривизна слоев повторно подработанного массива обратно пропорциональна глубине залегания второго и последующих отрабатываемых пластов.

Л, л«

-10 0 ¡0 20 30 40

~ ¡20

¡00 80 60 40 20

Е Е Г г-

+ — + - + -

-

-

масштаб эпюр:

О 10-1 (Г3, 1/м

Рис.3. Вертикальные деформации по оси скв. № 2 (ш. «Октябрьская») на различном расстоянии от скважины до забоя в плане (X) и от пласта по вертикали (Н).

Для изучения механизма разрушения слоев, образования в них сквозных нормальносекущих трещин при многократных изгибах от повторных подработок были проведены лабораторные исследования по испытанию на многократные изгибы образцов, изготовленных в виде балочек.

Многократные изгибы слоев при их повторных подработках в зоне полных сдвижений имитировались переменными по величине и знаку многократными нагружениями образцов-балочек на изгиб. Из приведенных исследований следует, что величина прогиба, при котором образец разрушается, увеличивается, если этому предшествовали многократные нагружения, противоположные по знаку и не превосходящие по абсолютной величине мгновенные разрушающие воздействия. Так, деформации разрушающей кривизны возрастают в 1,3-2,0 раза по сравнению с кривизной разрушения, полученной при одном нагружении и знаке направления нагрузки. Напряжение, при котором происходит разрушение, как в случае одного нагружения, так и в случае предшествовавших ему многократных нагружении, остается постоянным. В процессе предварительных многократных нагружении, различных по знаку в месте максимальных деформаций (в точке приложения нагрузки), образуется «ядро текучести», в котором имеет место частичное нарушение структурных связей. Это влечет за собой выявленное из опытов увеличение изгибной способности образца-балочки. Поэтому при том же напряжении, но при большей деформации кривизны наблюдается образование магистральной трещины (разрушение балочки) в образцах после предварительных нагружении.

На процесс разрушения образца, помимо самого факта многократного нагружения, оказывает влияние и характер нагружений, предшествующих разрушению. Для выявления этого влияния на образцах моделировался режим нагружения, подобный тому, который испытывают слои или слой на верхней границе ЗВТ в зоне полных сдвижений при двух схемах отработки пластов: сверху вниз (подработка) и снизу вверх (надработка).

Режим нагружения, соответствующий последовательной выемке сверху вниз свиты пластов (подработка), задавался следующим образом. Балочки подвергались последовательно изгибу при сле-

дующих переменных по величине и знаку нагрузках: ±0,8аь ±0,7ст1, ±0,6сть ±0,5оь ±0,4О], ±0,3сть ±0,2ст| (а! - мгновенная разрушающая нагрузка). После этого образцы нагружались до разрушения.

В случае моделирования надработки каждый образец-балочка последовательно изгибался при следующих нагрузках: ±0,2сть ±0,3сть ±0,4сть ±0,5сь ±0,6сть ±0,7сть ±0,8ст, ((ст, - мгновенная разрушающая нагрузка). После чего образец также нагружался до разрушения с фиксацией разрушающих характеристик.

В этих испытаниях каждая ступень нагружения имитировала влияние выемки одного из пластов свиты на слои или слой на верхней границе ЗВТ, соответственно, меньшая из ступеней нагружения (±0,2сГ]) - самый нижний пласт свиты, а наибольшая (±0,8сг|) - самый верхний пласт.

Анализ результатов испытаний показал, что при одном и том же разрушающем напряжении значение разрушающей кривизны, полученное после предварительных нагружений в режиме «надра-ботка», больше (в среднем на 15%), чем значение разрушающей кривизны образцов, предварительно нагруженных в режиме «подработка». Увеличение гибкости балочек происходит за счет более интенсивного нарушения части внутренних структурных связей в местах максимальных деформаций при режиме предварительных нагружений, названных «надработка». Но при этом больше вероятность полной потери всех структурных связей, т.е. развитие магистральной трещины (образец разрушается). Это и подтвердили исследования. В процессе испытаний образцов в режиме «подработка» не разрушился ни один из них, в то время как в процессе нагружений в режиме «надработка» некоторые образцы (в 40% опытов) разрушались уже при ступенях нагружения, начиная с 0,6а] и больше. Следовательно, с точки зрения разрушения, неблагоприятным фактором является такой процесс многократных нагружений, когда последующая нагрузка или деформация кривизны больше предыдущей (как в режиме «надработка»).

Моделирование процессов нагружения слоев при выемке свиты пластов показало, что многократные изгибы слоя на верхней границе ЗВТ от повторных подработок увеличивает его кривизну, при которой в слое образуются сквозные нормальносекущие трещи-

ны. и объясняет тот факт, что верхняя граница ЗВТ остается в том же слое, несмотря на его многократные изгибы разных знаков вследствие повторных подработок. Кроме того, из проведенных исследований следует, что при отработке пластов снизу вверх деформации кривизны слоев и, в частности, слоя на верхней границе ЗВТ от каждой последующей отработки пластов будут больше, чем от предыдущей. В этом случае, согласно проведенным исследованиям, слой на верхней границе ЗВТ приобретет способность разрушаться при большем значении деформаций кривизны по сравнению с обратным порядком отработки. Однако это достигается за счет более интенсивного нарушения внутренних структурных связей в местах максимальных значений деформаций кривизны, вплоть до образования сквозных нормальносекущих трещин. Вследствие этого допускается меньшее количество подработок.

Результаты специальных гидрогеологических и геофизических исследований по определению высоты зоны водопроводящих трещин, проведенных на полях шахт Беловского, Чертинского и Ленинского месторождений Кузбасса, приведены в таблице, из которой следует, что высота ЗВТ практически не меняется при выемке двух и трех пластов по сравнению с выемкой одного пласта. Сравнение значений высот ЗВТ, определенных в натурных условиях после выемки двух и трех пластов свиты, со значениями, полученными по существующей методике расчета, показало, что они существенно меньше последит на 30-50% (см. табл.). В рассмотренных случаях непосредственные определения производились в условиях, близких к полной подработке. Вышеприведенные результаты в комплексе с определениями сдвижений и деформаций, а также лабораторные исследования явились основой, на которой изучены закономерности развития процессов структурных образований техногенного характера в рассматриваемых условиях подработки.

При выемке первого пласта свиты максимальная кривизна слоя на верхней границе ЗВТ (граничная кривизна) определится из выражения

К. = --, (12)

Таблица

Результаты натурных определений высоты зоны водопрово-____ дящих трещин__

№ пп Шахта т. м А Высота ЗВТ над верхним пластом евты при выемке пластов Отклонение н — н _ тР т* Нтр •100% при выемке пластов

одного двух трех одного, % двух, % трех, %

ни Нтр ,М Нщ, ,м я«/ Нщ,, м

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 Пионерка 1,82 2,00 0,55 -/73 82/117 30

2 Тоже 1,60 2,15 1,70 0,57 -/67 86/138 38

3 То же 1,65 2,15 1,70 0,60 -/68 84/139 40

4 Западная 1,35 0,49 68/66 3

5 Тоже 1,35 3,05 0,36 -/67 67/134 50

6 Чер-тинская 1,35 2,55 0,58 -/62 76/119 36

7 То же 1,29 1,84 0,31 -/68 75/123 39

8 То же 1,20 2,40 1,50 0,41 -/63 75/146 50

9 Октябрьская 2,55 2,55 0,71 -/77 71/125 43

Ю То же 2,55 2,55 0,80 -/75 71/125 43

Примечание: т - мощность пласта; А - содержание глинистых пород (алевролитов, аргиллитов) в долях от подрабатываемой толщи; Н^ _-расчстиое значение высоты ЗВТ; Н„„ - высота ЗВТ по натурным определениям.

где Нт - расстояние от пласта до слоя на верхней границе ЗВТ (высота ЗВТ); с 1 - коэффициент, \'читывающий горнотехнические условия выемки первого пласта; т/ - вынимаемая мощность этого пласта; ¥'(г)т1 - максимальное значение функции типовой кривой для

данных условий; 5()- соответственно угол полных сдвижений и граничный угол. В местах максимальных значений кривизны наблюдается раскрытие нормальносекущих трещин пропорционально величине Л//С Такая закономерность вытекает из совместного анализа закономерностей распределений деформаций, полученных С.Г.Авершиным и Н.Н.Кацнельсоном. Поскольку в повторно подрабатываемом массиве максимальная кривизна для всех слоев равна максимальной кривизне поверхности, обусловленной отработкой рассматриваемого пласта, можно записать

К, = - 2 —-, (13)

' Н^с^ч'-, + с1»50)

где Н2 - глубина залегания второго пласта свиты; с2, т2, Р'(г) ,\|/3, б0- то же, что в (12), только для второго пласта свиты. Исходя из (12) и (13), можно утверждать, что величина К2 меньше величины Кг в Н^ / Н2Г раз. Соответственно, нормальносскущис трещины, образовавшиеся от выемки первого пласта свиты и находящиеся в закрытом состоянии в зоне полной подработки по вышележащему пласту, вновь раскрываются на величину пропорциональную и меньшую во столько же раз, т.е. / , относительно раскрытия при первичной подработке. При выемке третьего пласта раскрытие нормальносекущих трещин будет меньше, чем от выемки второго пласта свиты в Н| / раз (Из - глубина залегания третьего пласта свиты) и тем более меньше, чем от выемки первого пласта свиты в Н\ / Н.^ раз. Дальнейшее прорастание трещин в слое возможно лишь в том случае, если раскрытие трещин от очередной отработки пласта превзойдет максимальное раскрытие, достигнутое при выемке первого пласта свиты. Такие условия в рассматриваемых случаях отработки свиты пластов мощностью 1,3-3,0 м отсутствуют в зоне полных сдвижений, поэтому верхняя граница

ЗВТ будет оставаться в том же слое.

Последовательная выемка четвертого и других пластов свиты не внесет существенных изменений в рассмотренный выше геомеханический процесс.

3. За пределами зоны полных сдвижений, при различной степени совпадения границ выработок по пластам свиты, происходит соответствующее этому совпадению накопление деформаций массива. При превышении накопленными деформациями уровня, при котором образовались техногенные трещины, верхняя граница зоны водопроводящих трещин переместится в один из вышележащих слоев. Величина этого перемещения пропорциональна корню квадратному из указанного выше превышения накопленных деформаций.

При выемке первого пласта свиты граничная кривизна связана с высотой ЗВТ над этим пластом /У77 и его вынимаемой мощностью тI соотношением (12). При выемке второго пласта свиты общая кривизна слоев над ранее отработанным первым пластом возрастет, вследствие чего значение граничной кривизны переместится в слой, расположенный дальше по нормали от выработанного первого пласта. Соответственно этому переместится верхняя граница ЗВТ и ее высота относительно первого пласта достигнет величины НТ2. Последняя может быть определена из условия накопления деформаций кривизны на верхней границе этой зоны в зависимости от взаимного положения нижних (верхних) границ горных работ первого и второго пластов. При выемке третьего и последующих пластов свиты условие накопления деформаций на верхней границе ЗВТ будет аналогичным. В результате получено уравнение, учитывающее накопление деформаций при выемке свиты из п пластов:

е _ с'

^_

(

Н

Тп

+2>,

V

¡=1

(14)

^ V Л

где НТп - высота ЗВТ над верхним пластом от совместной выемки п пластов; а, - коэффициент, учитывающий активизацию процесса сдвижения при выемке второго и последующих пластов свиты; Л', -расстояние между нижними (верхними) границами горных вырабо-

ток пластов первого и /-го, на котором не имеет места добавка кривизны к граничной; Л", - сближение или удаление нижних (верхних) границ выработок первого и /-го пласта в пределах Л',; т,, т2,... т„ -вынимаемые мощности пластов свиты; ЛО ... ¿V,,., - мощности ме-ждупластий. Коэффициента, определяется из выражения:

а, - (],/(]!, (15)

где с/, - относительное максимальное оседание земной поверхности от выемки /-го пласта свиты; д/ - то же при выемке первого пласта свиты. Граничная кривизна (1С), входящая в уравнение (14), для конкретных условий определяется по формуле (10).

Из решения уравнения (14) относительно искомой величины получим:

Я,

п (х л'Л

с

1- 2

1 К

(16)

Входящую в формулы (14) и (16) величину Л', можно определить для частично или полностью совпадающих нижних границ выработок из выражения:

Л-,(17)

I /

4

а для совпадающих верхних границ выработок

.V, = (Н.п -*>-( 18)

71 4

где НТ1 определяется по формуле (11); А7, N2, ... - мощности ме-ждупластий; ру, Ч'| - соответственно граничный угол и угол полных сдвижений со стороны падения; у» .\|ь - то же, со стороны восстания; а - угол падения пластов.

Величина Нт„, определяемая из выражения (16), является высотой ЗВТ над первым пластом свиты, образовавшейся от выемки п-го пласта. Поэтому безопасная глубина подработки, определяемая из условия, чтобы ЗВТ не распространялась за пределы нижнего контура водного объекта, составит

и 1 г 2

п-1

где: ^ - сумма междупластий, заключенных между первым и

Ь 2

/г-ым пластами свиты.

При Л"7 Л"_2 -Л"„ О, то есть когда нижние (верхние) границы выработок по пластам свиты совпадают, происходит суммирование максимальных значений кривизны согласно уравнению (14), вследствие чего зона водопроводящих трещин над выработанным пространством возрастет до максимально возможной величины в рассматриваемых условиях. При S'|>S|, Л'^^ЛЧ, ..., высота ЗВТ

не будет возрастать относительно образовавшейся от выемки первого пласта свиты. При промежуточных значениях Л", в пределах от нуля до Я, из решения уравнения (14) получаются промежуточные значения высоты ЗВТ в пределах от #г/ до (НТп)ках-

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе осуществлено теоретическое обобщение и решение крупной научной проблемы - уменьшение потерь полезных ископаемых в предохранительных целиках, оставляемых в пределах опасного влияния водных объектов, которое заключается в установлении особенностей, закономерностей и зависимостей развития зон техногенных водопроводящих трещин в подрабатываемых слоях массива горных пород для прогнозирования степени нарушенности этими трещинами с целью повышения безопасности и эффективности выемки свит угольных пластов под водными объектами, что имеет важное народно-хозяйственное и социальное значение.

Основные научные и практические результаты состоят в следующем:

1. Из гидрогеологических и геофизических исследований физического состояния массива следует, что при выемке второго и последующих пластов свиты, каждый из которых отрабатывался в пределах зоны полных сдвижений по вышележащим пластам, высо-

та зоны водопроводящих трещин не возрастает относительно образовавшейся от выемки первого пласта свиты.

2. Исследования процессов сдвижения слоев массива горных пород при первичной их подработке показывают, что максимальная кривизна слоев имеет тенденцию к уменьшению обратно пропорционально квадрату расстояния до рассматриваемого слоя, что подтверждает существующие представления о закономерностях распределения кривизны в слоях первично подработанного массива и даст возможность определять кривизну слоев, используя существующую методику расчета.

На участках, где зона водопроводящих трещин от выемки второго и последующих пластов свиты не увеличивается относительно образовавшейся от выемки первого пласта, максимальная кривизна каждого из слоев повторно подрабатываемой толщи равна максимальной кривизне поверхности, отсюда следует, что максимальная кривизна слоев, после их первичной подработки, обратно пропорциональна квадрату глубины разрабатываемого пласта свиты.

3. После первичной подработки, в результате деформаций изгиба слоев, массив расслаивается с образованием отслоений и полостей между соседними отслоениями. Этот процесс проявляется через распределение вертикальных деформаций (деформаций вдоль оси скважин по глубинным реперам), которое в этих условиях представляется вертикальными деформациями растяжения, наибольшими вблизи пласта и уменьшающимися к поверхности. Такое распределение является следствием механизма изгиба первично подработанных слоев массива: кривизна нижележащих слоев больше кривизны вышележащих.

При повторных подработках распределение вертикальных деформации массива в зоне полных сдвижений качественно и количественно отличается от распределения первично подработанного массива: вертикальные деформации на порядок меньше и распределение представлено чередованием вертикальных деформаций растяжений и сжатий. Это обусловливается отличием в механизме изгибов слоев повторно подрабатываемой толщи от первичной ее подработки: кривизна вышележащего слоя повторяет кривизну нижележащего.

4. Использование данных о сдвижении слоев толщи и распределении в ней вертикальных деформаций позволяет оценить мощность совместно прогибающейся пачки слоев, которая определяется как предельное расстояние между соседними отслоениями: по оценкам натурных экспериментальных данных, она составляет порядка 2,0 м, из аналитических исследований эта мощность колеблется в пределах 0,7^-2,0 м.

В совместно прогибающейся пачке слоев в местах максимальных значений деформаций кривизны образуются нормально секущие пачку трещины. Между этими трещинами выделяются блоки, размер которых оценивается, по данным о распределении кривизны, как расстояние между экстремальными значениями кривизны. Величина блока по этой оценке составляет 5-:-7 м, эта же величина из рассмотрения аналитической схемы изгибов слоев находится в пределах 6,5-И0,0 м.

При повторных подработках многократные изгибы пачек слоев, в которых нормальносекущие трещины проникают не на всю их мощность, не превосходящую граничное значение кривизны, увеличивают предельное значение кривизны, при котором нормальносекущие трещины развиваются до сквозных, в среднем на 40%.

5. Установленная зависимость граничной кривизны (максимальной кривизны слоя на верхней границе зоны водопроводящих трещин) от литологического состава пород толщи и местоположения в толще этих пород с определенными механическими характеристиками определяется содержанием в толще пород глинистого состава (алевролитов, аргиллитов, глинистых сланцев и др.), а также влиянием относительного центра распределения давлений изгиба слоев с определенными механическими характеристиками на распределение в толще кривизны. При значении этого показателя меньше единицы слои с относительно большой мощностью располагаются в первой половине толщи, считая от разрабатываемого пласта, при значении, большем единицы, - во второй половине толщи и при равном единице - слои в толще распределяются равномерно.

В результате учета этих факторов значительно повышается точность прогноза положения верхней границы зоны водопроводящих трещин или слоя с кривизной, равной граничной, при выемке

пласта.

6. Основным определяющим фактором развития зон водопроводящих трещин является то, что при повторных подработках все деформационные процессы развиваются в пределах тех структурных техногенных нарушений, которые образовались при первичной подработке. Это учтено в полученной гсомеханической схеме процессов развития зон водопроводящих трещин через установленные новые закономерности распределения деформаций и зон техногенной нарушенное™.

Разработанная на основе гсомеханической схемы методика прогноза развития зоны водопроводящих трещин при выемке свиты пластов под водными объектами позволяет оценивать степень на-рушснности подрабатываемого массива горных пород и управлять процессами развития водопроводящих трещин, что обеспечивает безопасную выемку пластов угля в пределах предохранительных целиков под водными объектами.

7. Усовершснствованнные известные и разработаннные новые способы специальных гидрогеологических исследований по натурному определению высоты зоны водопроводящих трещин и методы определения деформации слоев пород массива, обеспечивают повышение надежности, оперативности и информативности при их применении в соответствующих исследованиях.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Гвирцман Б.Я., Гусев В Н., Пепеляев Г.П. Безопасные глубины разработки свит пластов в Кузбассе под водными объектами // Сдвижение земной поверхности и устойчивость откосов: Сб.научн.трудов. Л.: ВНИМИ, 1980. С.65-69*

2. Гвирцман Б.Я., Гусев В Н., Лгунов A.C. Размер зон водопроводящих трещин при разработке свиты угольных пластов // Безопасность труда в промышленности, 1980, № 8. С.53-54.

3. Гусев В.Н. Особенности сдвижения повторно подрабатываемой толщи горных пород и их влияния на развитие зоны водопроводящих трещин // Молодые ученые Северо-Запада - горному производству /Тез.докл. Л.:ВНИМИ, 1981. С.23.

4. Гусев В.Н. О надежности получаемых величин сдвижений

и деформаций массива горных пород частотными наблюдениями в скважинах. // Сдвижение земной поверхности и устойчивость откосов: Сб.научн.трудов. Л.: ВНИМИ, 1982. С.6-10.

5. Гусев В.Н. Сдвижения и деформации повторно подрабатываемой толщи горных пород // Охрана сооружений от вредного влияния горных работ и расчет устойчивости бортов угольных разрезов: Сб.научн.трудов. Л.: ВНИМИ, 1983. С.33-36.

6. Гусев В.Н. Развитие зоны водопроводящих трещин в повторно подрабатываемом массиве горных пород // Молодые ученые Северо-запада - горному производству / Тез.докл. Л.:ВНИМИ, 1983. С.40.

7. Бошенятов Е.В., Гвирцман Б.Я., Гусев В.Н. Оценка максимальных деформаций повторно подрабатываемого массива горных пород // Прогноз сдвижений горных пород, деформаций сооружений, устойчивости бортов, разрезров при разработке угольных месторождений: Сб.научн.трудов. Л.: ВНИМИ, 1984. С. 16-20.

8. Гвирцман Б.Я., Гусев В Н., Заладанский Л.А. Прогнозирование высоты зоны водопроводящих трещин // Уголь, 1985, № 7. С.56-57.

9. Гусев В.Н., Пепеляев Г.П. О возможности выемки запасов угля под междушахтными барьерными целиками // Способы управления деформациями горного массива, подрабатываемых сооружений, бортов разрезов и природных объектов при разработке свит угольных пластов: Сб.научн.трудов. Л.: ВНИМИ, 1986. С.27-31.

10. Рекомендации по определению безопасных условий выемки свит пластов под водными объектами. Л., 1987. 70 с. (М-во угольной промышленности СССР, ВНИИ горн, геомеханики и маркш.дела) / Б.Я Гвирцман., В.Н Гусев., Н.Н Кацнельсон., и др.

11. Методические указания по наблюдениям за сдвижением горных пород и за подрабатываемыми сооружениями. Л., 1987. 188 с. (М-во угольной промышленности СССР, ВНИИ горн.геомеханики и маркш.дела).

12. Норватов Ю.А., Миронов A.C., Гусев В.Н. Управление гидрогеомеханическими процессами при подработке водных объектов // Методы, технические средства маркшейдерских работ и исследование процесса сдвижения горных пород: Сб.научн.трудов. Л.:

ВНИМИ. 1988. С. 155-160.

13. Гусев В.Н. Методика расчета развития зоны водопроводящих трещин в многократно подработанном массиве горных пород// Маркшейдерское дело и геодезия: Межвуз.сб. Л: ЛГИ, 1989. С. 16-21.

14. Гусев В Н., Каландаров 111.М. Геомеханическая схема образования зоны водопроводящих трещин в подработанном массиве горных пород.// Маркшейдерское дело и геодезия: Межвуз.сб. Л.: ЛГИ, 1989. С.26-30.

15. Гусев В Н., Миронов А.С., Тугаров И.В. Прогноз техногенной нарушенности массива горных пород при эксплуатации угольных месторождений // I Всесоюзный съезд инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов / Тез.докл. Киев: Наукова думка, 1989. С.38-40.

16. Гусев В.Н., Заворин Н.Н. Исследование влияния многократных подработок на процессы образования нормальносекущих трещин в подрабатываемых слоях толщи // Маркшейдерское дело и геодезия: Межвуз.сб. СПб: СПГГИ, 1991. С.26-31.

17. Гусев В.Н. Оценка геомеханического состояния подработанного массива горных пород по результатам наблюдений за сдвижением скважинных реперов // Маркшейдерское дело и геодезия: Межвуз.сб. СПб: СПГГИ, 1993. С. 18-23.

18. Гусев В.Н. Геомеханика процессов формирования техногенной структуры в слоях массива горных пород // Маркшейдерский вестник, 1996, №3(17). С. 10-13.

19. Гусев В.Н. Зависимость высоты зоны водопроводящих трещин от распределения в толще породных слоев // Маркшейдерское дело и геодезия. Межвуз.сб. СПб: СПГГИ, 1997. С.78-81.

20. V.N.Gusev, Zhao Wen. Mechanical mechanism of forming process of bedded rock mass structures. China Mining Magazine. Volum 6, Number 4, July, 1997, p.52-55.

21. Гуссв В.Н. Прогноз развития зоны водопроводящих трещин в подрабатываемом массиве горных пород // Маркшейдерский вестник, 1998, № 4 (26). С.35-36.

22. Гусев В.Н. Геомеханика техногенных водопроводящих трещин.Санкт-Петербургский горный ин-т. СПб: СПГГИ, 1999.156с.

23. A.c.829946 /СССР/. Способ выемки угля из предохранительных целиков под водными объектами. Б.Я. Гвирцман, И.А. Петухов, А.Г.Акимов, ВН. Гусев - Заявл. 16.07.79. Опубл. в Б.И., 1981, № 18.

24. A.c.998756 /СССР/. Способ разработки угольных пластов в свите в пределах предохранительного целика под водным объектом. А.Г. Акимов, Е.В. Бошенятов, Б.Я. Гвирцман, В.Н. Гусев, И.А. Петухов - Заявл. 11.05.81. Опубл. в Б.И., 1983, №7.

25. A.c. 1002580 /СССР/. Устройство для закладки в буровую скважину пружинных кольцевых реперов. Гусев В.Н., Гвирцман Б.Я. - Заявл. 17.09.81. Опубл. в БИ 1983, № 9.

26. A.c. 1046475 /СССР/. Устройство для изоляции опробуемых интервалов скважин. Б.Я. Гвирцман, В Н. Гусев - Заявл. 18.06.82. Опубл. в Б.И., 1983, № 37.

27. A.c.1121433 /СССР/. Устройство для закладки в буровую скважину пружинных кольцевых реперов. Б.Я. Гвирцман, В.Н. Гусев - Заявл.23.08.83. Опубл. в Б.И., 1984, № 40.

28. A.c. 1145137 /СССР/. Устройство для определения смещений скважинных реперов. В.Н Гусев, Б.Я.Гвирцман, Е.В.Бошенятов, А.Г.Акимов. - Заявл. 10.06.83. Опубл. в Б.И., 1985, № 10.

29. A.c. 1186739 /СССР/. Способ охраны зданий и сооружений от вредного влияния подземной разработки свиты пластов. А.Г. Акимов, Е.В. Бошенятов, Б.Я. Гвирцман, В.Н. Гусев, Л.А. За-падинский - Заявл. 26.05.83. Опубл. в Б.И., 1985, № 39.

30. A.c. 1208187 /СССР/. Устройство для изоляции опробуемых интервалов скважин. Б.Я. Гвирцман, В.Н. Гусев - Заявл 5.04.84. Опубл. в Б.И., 1986, №4.

31. A.c. 1208235 /СССР/. Устройство для определения смещений скважинных реперов. Б.Я. Гвирцман, В.Н. Гусев - Заявл. 12.06.1984. Опубл. в Б.И., 1986, № 4.

32. A.c. 1221347 /СССР/. Способ определения высоты зоны водопроводящих трещин в массиве горных пород. Б.Я.Гвирцман, Е.В.Бошенятов, В.Н.Гусев. - Заявл. 4.07.84. Опубл. в Б.И., 1986, № 12.

33. А.с.1221348 /СССР/. Способ определения высоты зоны

водопроводящих трещин над выработанным пространством на пластовых месторождениях с выдержанными водоупорами между водоносными слоями. Б.Я. Гвирцман, В.Н. Гусев - Заявл. 18.07.84. Опубл.в Б.И., 1986, № 12.

34. A.c. 1328480 /СССР/. Устройство для изоляции опробуемых интервалов скважин. Б.Я. Гвирцман, В Н. Гусев - Заявл. 27.02.86. Опубл. в Б.И., 1987, № 29.

35. A.c. 1490282 /СССР/. Способ предотвращения затопления подрабатываемого участка земной поверхности грунтовыми и поверхностными водами. В.Н. Гусев, A.C. Миронов, Ю.А. Норватов, И.А. Петухов - Заявл. 31.08.87. Опубл. в Б.И., 1989, № 24.