автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Определение условий образования провалов и разработка способов их предотвращения при ликвидации шахт в Подмосковном бассейне

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ НЕДР

На правах рукописи

Кошелев Владимир Николаевич

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВИЙ ОБРАЗОВАНИЯ ПРОВАЛОВ И РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ИХ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПРИ ЛИКВИДАЦИИ ШАХТ В ПОДМОСКОВНОМ БАССЕЙНЕ

Специальность 05.15.11. «Физические процессы горного производства»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических

наук

Научный руководитель

докт. техн. наук, проф. Иофис Михаил Абрамович

Москва 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................4

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОБРАЗОВАНИЯ ПРОВАЛОВ НАД ГОРНЫМИ ВЫРАБОТКАМИ, ЗАДА ЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Основные сведения о случаях возникновения провалов над горными выработками и критерии их образования......................................................................................7

1.2. Существующие гипотезы сдвижений пород в окрестности горных выработок......22

1.3. Постановка задач исследования................................................................31

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ..................................................................................32

ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА И УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ПРОВАЛОВ

НАД ГОРНЫМИ ВЫРАБОТКАМИ.

2.1. Характеристика сдвижений пород при образовании провалов..........................34

2.2. Установление критериев оценки состояния массива нарушенного горными работами.........................................................................................................35

2.3. Развитие зон сдвижения в массиве и на поверхности до и после выхода провала...40

2.4. Определение условий образования провалов................................................44

2.5. Схемы обрушений пород над выработкой...................................................46

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ..................................................................................48

ГЛАВА 3. СМЕЩЕНИЯ ПОРОД В ГОРНЫЕ ВЫРАБОТКИ В УСЛОВИЯХ

С А ФОНОВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ.

3.1. Краткое описание геологического строения.................................................50

3.2. Цитологическая характеристика различных типов глинистых пород и их физико-механические свойства.......................................................................................52

3.3. Смещения пород в горные выработки в виде пучения и факторы, влияющие на него...............................................................................................................55

3.4. Определение степени устойчивости и величины заполнения выработок............71

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ..................................................................................78

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА, ПРОГНОЗ

ЕГО ИЗМЕНЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЗМОЖНЫХ ПОСЛЕДСТВИЙ.

4.1. Характеристика территории бассейна.........................................................81

4.2. Оценка подработанных территорий...........................................................81

4.3. Прогноз возможных форм геомеханических изменений в массиве и на поверхности.....................................................................................................85

Стр.

4.4. Возможные последствия закрытия угольных шахт........................................86

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ..................................................................................90

ГЛАВА 5. ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫМИ ПРОЦЕССАМИ, ПРОИСХОДЯЩИМИ В ТОЛЩЕ ПОРОД И НА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ, И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КАЖДОГО ИЗ

ЭТИХ СПОСОБОВ.

5.1. Основные принципы управления деформационными процессами.....................91

5.2.Определение способов предотвращения (снижения) последствий закрытия

угольных шахт..................................................................................................92

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.................................................................................93

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................95

СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ....................................................97

ВВЕДЕНИЕ Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы. В связи с массовым закрытием угольных шахт возникает проблема оценки возможных последствий ликвидации предприятий и разработки способов их снижения.

В ряде случаев горные выработки являются причиной образования провалов, возникновения трещин, уступов, неожиданных интенсивных оседаний отдельных участков поверхности и, как следствие, деформаций зданий и сооружений.

Наиболее сложной в рассматриваемой проблеме является задача определения, с учетом геомеханической обстановки закрываемых шахт, области безопасного влияния на земную поверхность погашаемых горных выработок и установления возможных форм ее сдвижения.

Выработки и отдельные полости, находящиеся в массиве, с течением времени и при определенных условиях теряют устойчивость, в результате чего деформационные процессы могут достичь земной поверхности и привести к ее сдвижению.

Из существующих видов сдвижения провал является наиболее опасным, так как он появляется внезапно и, пронизывая всю толщу горных пород, создает угрозу аварий и безопасности людей.

Особенно остро проблема прогноза и предотвращения внезапных провалов на земной поверхности стоит в Подмосковном угольном бассейне, где ведется массовая ликвидация горных выработок, расположенных на небольших (20 - 100м) глубинах. В настоящее время из действующих шахт в бассейне осталось восемь, остальные закрыты или находятся в стадии закрытия. На ликвидированных и ликвидируемых шахтах имеется большое количество горных выработок различного назначения с суммарной протяженностью, исчисляемой десятками километров.

Отсутствие научно обоснованных и узаконенных нормативными документами методов определения условий образования на земной поверхности провалов и воронок приводит к тому, что выбор способа погашения выработок нередко осуществляется произвольно, согласно опыту и интуиции проектировщика, что в определенных условиях ведет к серьезным ошибкам, влекущим образование не только одиночных, но и серии провалов, как это было на шахтах «Скуратовская» и «Глубоковская» в Тульской области.

Цель работы. Определение условий образования провалов и создание научной основы безопасного использования подработанных территорий.

Основная идея. Учет характера обрушения пород над выработкой и степени заполнения ее сечения вмещающими породами при оценке возможности образования провалов и при определении их размеров.

Методы исследования. Использован комплексный метод, включающий анализ и научное обобщение литературных источников, изучение литологического строения толщи, многолетние натурные наблюдения за смещениями контура выработок, сбор и анализ фактических данных случаев образования провалов.

Научные положения.

1. Вероятность возникновения провалов определяется состоянием массива в зависимости, от которого можно выделить следующие условия их образования:

- при заложении выработки на глубине менее 30м существует высокая вероятность образования провалов, как при ликвидации горных выработок, так и при прекращении работ по их поддержанию; в таких условиях состояние массива можно характеризовать как неустойчивое.

при заложении выработки на глубинах от 30 до 60м вероятность образования провалов зависит от степени заполнения выработки вмещающими породами на момент обрушения кровли; состояние массива в данных условиях можно характеризовать как относительно устойчивое.

при глубине заложения выработки свыше 60м воронки и провалы на земной поверхности возникают весьма редко (за исключением случаев активизации деформационных процессов, связанных с прорывом плывунов); данное состояние массива можно характеризовать как устойчивое.

2. Величина пучения пород почвы выработки определяется соотношением веса столба пород единичной площади (уН) и предела прочности пород на одноосное сжатие (о-сж):

уН

при-< 0,3 величина смещений и<200мм (не пучащие породы);

асж ■уН

-при 0,3 <-<1 величина смещений и=200+2000мм (пучащие породы);

°сж

уН

- при->1 величина смещений и>2000мм (сильно пучащие породы).

<7сж

3. Критерием оценки состояния массива является показатель, учитывающий совместное влияние глубины Нь (расстояние от кровли выработки до контакта коренных

н

пород с наносами) и площади сечения выработки вчерне Б: при -р->16 - устойчивое

ь

н

состояние массива, при 8<-^<16 - массив находится в состоянии относительной

ь

н

устойчивости, —Л- < 8 - неустойчивое состояние массива.

а/5

4. По степени пригодности территории делятся на пять классов, отличающихся характерными, свойственными только для них особенностями и условиями использования.

Научная новизна:

определены условия и вероятность образования провалов в зависимости от глубины заложения выработки и ее сечения.

выявлено и описано не учитываемое ранее влияние степени заполнения сечения выработки вмещающими породами в момент обрушения кровли на условия образования провалов.

- разработаны схемы обрушений пород над выработкой в зависимости от глубины ее заложения и особенностей литологического строения толщи.

обоснована и составлена классификация подработанных территорий с учетом геомеханического состояния массива и горно-геологических условий.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована: теоретическими исследованиями, базирующимися на основных гипотезах устойчивости пород при проведении выработки, достаточным объемом исходных данных для установления зависимостей и комплексностью исследований, удовлетворительной сходимостью результатов прогноза с фактическими данными и внедрением разработок.

Научное значение. Разработан метод геомеханической оценки и прогноза состояния массива горных пород при размещении в нем подготовительных и капитальных выработок.

Практическая ценность. Определены условия использования подработанных территорий для различных хозяйственных нужд с учетом характера и форм проявления деформаций горных пород, в том числе образования провалов.

Реализация работы. Основные результаты исследований отражены в "Методических рекомендациях по геомеханическому обеспечению закрытия угольных шахт", утвержденных вице-президентом ОАО компании "Росуголь" 24 октября 1997г. и "Инструкции по наблюдениям за сдвижениями земной поверхности и расположенными на ней объектами при строительстве в Москве подземных сооружений", согласованной с Управлением развития Генплана Правительства Москвы 8 сентября 1997г и утвержденной Госгортехнадзором России 17 сентября 1997г. Постановление 29.

Апробация работы. Основные положения работы доложены на научных симпозиумах: Неделя горняка - 98, Неделя горняка - 99 в МГГУ и научных семинарах лабораторий проблем комплексного освоения угленосных отложений недр, горной геомеханики и др ИПКОН РАН.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано три работы.

Объем работы. Диссертация содержит 99 страниц машинописного текста, 29 рисунков, 14 таблиц, список из 40 литературных источников

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОБРАЗОВАНИЯ ПРОВАЛОВ НАД ГОРИНЫМИ ВЫРАБОТКАМИ, ЗАДА ЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Основные сведение о случаях возникновения провалов над горными выработками и критерии их образования.

Проведение горных выработок ведет к нарушению природного равновесия толщи пород, в результате которого происходит перераспределение напряжений, деформирование и сдвижение породного массива. В определенных условиях эти процессы распространяются до земной поверхности и она также претерпевает деформации. Формы и характер проявления этих деформаций колеблются в весьма широких пределах: от едва уловимых высокоточными инструментальными наблюдениями опусканий земной поверхности до глубоких воронок и провалов [1]. Так, огромный провал диаметром более 200м и глубиной в несколько десятков метров образовался над обрушившимися выработками 3-го Березниковского рудника, разрабатывающего пласты калийной соли. Большие провалы образуются также при разработке мощных пластов в Кузбассе и в других аналогичных условиях. И, наоборот, сдвижение земной поверхности практически не ощущается при отработке пластов полезных ископаемых с твердеющей закладкой выработанного пространства на рудниках Норильска или при выемке угольного пласта короткими забоями в Восточном Донбассе.

В общем случае на земной поверхности образуется мульда сдвижения, параметры которой определяются в основном глубиной горных работ, мощностью пласта и способом управления кровлей. При плавном характере кривой оседания земной поверхности существующие методы расчета её деформаций обеспечивают точность, необходимую для решения многих инженерных задач [2]. Гораздо сложнее обстоит дело с прогнозом образования на земной поверхности провалов и воронок. Между тем проблема прогноза и предотвращения спонтанного образования провалов и воронок, становится в настоящее время особенно актуальной и значимость её в дальнейшем будет расти, в связи с массовым закрытием горнодобывающих предприятий. При ликвидации шахты или рудника доступ к выработкам прекращается, и процесс их деформирования и разрушения происходит бесконтрольно и неуправляемо. В результате провалы и воронки на земной поверхности могут образовываться неожиданно и в непредвиденных местах, что может привести к разрушению объектов на поверхности, падению в провалы людей, механизмов, скота и к другим тяжелым последствиям. Особенно опасны так называемые «скрытые провалы», то есть полости в толще пород, расположенные вблизи земной поверхности, но не проявившиеся на ней из-за зависшего слоя дерна, смёрзшихся грунтов и ледяной корки зимой. Такие полости играют роль «ловушек», поскольку достаточно бывает наехать на неё

трактору, автомашине или появиться другой пригрузке, чтобы полость мгновенно вышла на земную поверхность в виде провала.

Из всех видов сдвижений провал считается наиболее опасным явлением из-за возможных серьезных последствий связанными с авариями и угрозой жизни людей. На (рис. 1.1)' изображены провалы при. выемке пласта заходками, • имеющими некоторую аналогию образования провалов над погашенными горными выработками.

Рис. 1.1.

В настоящий момент в науке и практике разработаны методы определения условий образования на земной поверхности провалов и воронок для различных условий: крутопадающих пластов, при подработке водоемов, при ЛГУ крутопадающих пластов, при разработке рудных месторождений и др. [41-45]. Для условий этих разработок вероятность образования провалов рассматривается для очистных выработок и связывается с устойчивостью пород кровли, высотой зоны обрушения и мощностью пласта. Между тем опыт шахтных разработок в Подмосковном бассейне показывает, что условия образования провалов здесь тесно связаны с состоянием выработок в момент потери устойчивости их кровли. Так, если обрушение кровли происходит после того, как выработка на все сечение заполнится пучащими породами почвы и боков выработки, провал не образуется. И, наоборот, если это обрушение происходит до того, как начнется заполнение выработки пучащими породами, образуется провал наибольших размеров. В промежуточных случаях

вероятность образования провала и его размеры будут зависеть от степени заполнения выработки пучащими породами в момент обрушения кровли.

Актуальность проблемы прогноза и предотвращения внезапных провалов имеет место там, где выработки расположены на небольшой глубине, таким условиям наиболее соответствует Подмосковный угольный бассейн. В таблице 1.1. приведен список действующих и ликвидируемых шахт в 1998г.

Таблица 1.1.

№ п/п Наименование шахты Действующие Ликвидируемые

1 Бельковская +

2 Бельцевская +

3 Бородинская - 15 (Сеченская) +

4 Бородинская - 17 +

5 Владимировская +

6 Донская (Смородиская) +

7 Дубовская +

8 Липковская - 9 +

9 Липковская - 16 +

10 Майская +

11 Подмосковная +

12 Прогресс +

13 Сердейская +

На закрытых и закрываемых шахтах имеется большое количество горных выработок различного назначения с суммарной протяженностью, исчисляемой несколькими десятками километрами. Наибольшее число шахт бассейна сосредоточено в Тульской области (рис.1.2.).

Существуют следующие способы погашения выработок: закладка породой, выкладка костров, механическая посадка кровли, секционирование.

Закладка является дорогостоящим способом и применяется в исключительных случаях, например, при ликвидации выработок в пределах предохранительных целиков. Костры используются для продления срока существования выработки. Механическая посадка осуществляется там, где это безопасно и экономически выгодно. Секционирование применяется для создания в выработке перемычек из обрушившихся пород. Существует также некоторый критический объём «выхода» в выработку обрушающихся пород, при

ШНЕВ

ш. Бельцевская | Московская

гш.Березовская -— (Прогресс)

ДУЛА

щ.Бельковская

Участок , П №8 / ш Подмосковная

ъ / □

Грызловский разрез

ш. Грицовская

щ. Сокольническая

^РЕМЯЧЕВОЦ

\

ш. Моего в екая

НОВОМОСКОВСК

.Щек инекая

ш. Комсомольская^

■УЗЛОВ

ШЕКИНО/Ш ш. Бородинская №13» огЛипковская №16 щ Па^Гч^ Е! КИМОВ СК

ш. Бородинская №17 Р^» ~Ц ^ ) --—

„ ^ ш Росспишигкяя / О ' Западно-Гранковский

ш. Смирновская • ш.1-оссошинская Ду6ов(.^^ ' - -

т. Липковская №9,Р /О

_ /ш. Владимиро�