автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.01, диссертация на тему:Прогноз сдвижений и деформаций горных пород и земной поверхности при подземной разработке крутонаклонных угольных пластов

На правах рукописи

Морнн Сергей Васильевич

ПРОГНОЗ СДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ГОРНЫХ ПОРОД И ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ КРУТОНАКЛОННЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Специальность 05.15.01 - Маркшейдерия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 1995

Работа выполнена в Уральском филиале Государственного научно-исследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела ВНИМН и в Уральской государственной горно-геологической академии.

Научный руководитель —

Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

Защита состоится

- /3°°

29»

доктор технических наук, профессор Ю.И.ТУРИНЦЕВ доктор технических наук, А.Д.САШУ РИН кандидат технических наук, Р.Ф.КРУШАТИН Институт Уралгипрошахт (г.Екатерннбург)

ФеДоам?

1996 года

часов на заседании диссертационного совета К 063.03:03 в Уральской государственной горно-геологической академии по адресу: 020144, г.Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30

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

Автореферат разослан " ^ "

1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ^ Т-Т/^

у

В.П.Тю. и.кип

ОЕЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ."

Актуальность работы. Современные условия разработки угольных месторождений Урала характеризуются внемкой пластов на глубоких горизонтах, доработкой запасов в сложных горно-геологических условиях. В связи с этим все большее значение приобретают проблемы рационального использования природных ресурсов и охраны недр, обеспечения безопасности ведения горных работ.

Решение задач, связанных с управлением сдвижение* и деформированием массива горних пород, охраной подрабатываемых сооружений и природных объектов, должно осуществляться на основе комплексного учета горно-геологических и горнотехнических факторов, используемых при прогнозировании сдеижений и деформаций горных пород и земной поверхности.

' Прогноз деформаций горного массива и поверхности нужен для решения вопросов охраны невозможности подработки объектов, расположенных на угленосных площадях. Он является основой также для рационального и безопасного ведения горных работ под охраняемыми объектами. В настоящее время вопросы прогнозирования сдвивений и деформаций горного массива разработаны недостаточно. Основанные на обобщениях данных наблюдений методы расчета сдвикений и деформаций земной поверхности и массива горных пород недостаточно . надежны-при возросших глубинах ведения горных работ. До настоящего,времени очень слабо разработана методика прогнозирования сдви-~хений и -деформаций по напластованию. Необходимость расчетов сдви-агений горних пород по напластовании' связана с разработкой мер защиты глубоких шахтных;стволов, -эдакий и сооружений на промплс-щадках шахт в Кизеловском, Челябинском бассейнах и Буланашсксм_ месторождении, где отмечены проявления сдвиговых деформаций под влиянием подземных горных.работ. Разработка методов прогноза является актуйльнр^научной,и практической задачей.

В основу диссертации положены результата исследований по темам НИР отраслевого плана ВНИМИ в соответствии с ЩОП Я20 Минуг-лепрока СССР,на 1981-85 г'г. (тема 0202000, »Г.Р. 01840007757", по программа Минуглепрома»СССР на 1985-90 г г. (тема 0239035, М\Р.01670С011Ю,тема 0239008,¡»Г.Р.01850009850,тема 02Э3148, V Г.Р. 01860129918), по программе Министерства топлива и энергетики РЗ на 1991-95 г-г. (тема С239200)и топроблемной тематике Минвуза РО "Охрана и рациональное использование земных недр".

Цель работы - разработка экспериментально-аналитического метода расчета сдвижений и деформаций массива горных пород и земной поверхности при выемке крутонаклонных пластов для .совершенствования мер охраны сооружений и природных объектов в сложных горно-геологических условиях.

Идея работы заключается в комплексном учете проявления изгиба и сдвига пород в методиках расчета величин сдви-жониЯ и деформаций и использовании выявленных закономерностей • сдвижения массива горных пород и земной поверхности для выбора оптимальных мер охраны сооружений и природных объектов.

Научные положения, защищаемые в диссертационной работе,и их новизна:

установлена впервые зависимость вертикальных и горизонтальных сдвижений, учитывающая фактор продольного ■сдвига пород при разработке крутонаклонных угольных плас-ов, чтс позволяет выявить характер распределения величин сдвижений массива от сдви -говых деформаций, обусловленный влиянием угла падения пласта и угла трения по контактам^ повышает надежность прогнозов;

способ.прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности и массива горных пород при {^зработке сближенных крутонаклонных пластов, отличающийся тем, что учитывается совместное проявление изгиба и сдвига пород, влияние выработок смежных - «

горизонтов и продольный сдвиг пород, позволяющий выполнить . прогноз от выработок горизонта и производить алгебраическое их суммирование;*

методика расчета сдвитений по напластованию, отличающаяся тем, что учитываются сдвиги по слабым контактам, характер • их распределения в массиве и. на земной поверхности, позволяющая определять сдвижения и деформации земной поверхности от выработок горизонта, прогнозировать сдвижения по напластованию в сечениях мульды, параллельных главному в краевой её части и в массиве горных пород по контактам;

метод определения размеров опасных зон, отличающийся тем, что искомые параметра получают из сравнения прогнозируемых деформаций в виде аналитических зависимостей с допустимыми, позволяющий обоснованно выбирать мер« охраны объектов при подземной разработке свит угольных пластов.

Достоверность' научных положений, изложенных в диссертации)обеспечивается/, комплексностью исследований, включагяцих анализ и обобщение экспериментальна данных и результатов моделирования; удовлетворительной сходностью результатов расчетов по предлагаем™ методикам с натурными данными.

Личный вклад автора в получении научных результатов заключается: в проведении натурнчх наблюдений на угольных месторождениях Урала/при разработке свит угольных пластов, их анализе и обобщении; исследовании характера процесса; сдвижения массива горных пород на моделях из эквивалентных- материалов при сдвижении по, напластованию и влиянии раз, рвннх тчктенлческах нарушений;; в разработке методик расчета .; сдвижений и деформация зецно^" поверхности при внеике крутонак-" лонных сближенных пластов и.сдвижении пород по напластованию;в разработке экспериментально-аналитического метода расчета сдви-

жений и деформаций массива горных пород и определении размеров опасных зон; в создании новых способов урравления сдвижением массива гордах пород при крутонаклонном и крутом падении пластов, при ведении'горных работ вблизи обводненных разрывных тектонических нарушений. V

П рча ктическая 'ценность. Разработанные методы прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности и массива горных пород повышают надежность принимаемых решений по управлению сдвижением и деформированием горных пород,охране подрабатываемых сооружений и водных объектов, глубоких шахтных' стволов, сминают потери угля в недрах и обеспечивают безопасность ведения горных работ, на угольных месторождениях Урала.

Реализация работы. Основные результаты исследований, полученные автором, доведены до практического использования и вошли в Методические указания по прогнозу, сдви-яений и деформаций земной поверхности и определению нагрузок • на здания при многократных подработках (Я. :БЮ!Ш,1907)Л ¡Предложенные методы прогноз« деформаций, рекомендации по безопасно-, му ведению горных работ вблизи Коспашского ч Луньевского надвига, Северо-Камктинского нарушения и охране ^эксплуатируемых глубоких шахтных стволов на основе прогнозирования сдвижений и деформаций массива горных пород использовались в' более 30 .'заключениях tвыданных шахтам А0"Кизелуголь", "Челябинскуголь" и проектным организациям. При реализации только част* ий них в опасных зонах из недр извлечено.200 тыс.тонн угля и получен экономический эффект в результате внедрения в Кизеловском бассейне на 1990 г. IC5 тес.руб.

Апробация работы; Основные положения диссертационной работа» докладывались на заседаниях HIC Уральского филиала ВНИЩг.Екатеринбург,1989,1990,19Э5г г.),на-эаседении секции Ученого совета ВНИМИСг.С.-Петербург.,1990г.^,на нЬучно-

4 .

•гехнич«сяоЯ kch$vpe:nr,îb "Состояние исследован1,î'.! геомеханкчаских . npoireccnn и влияние внедрения на о^фектипность отработки мсс-торою'деннГ! "ряягдг.Свердловск,ISGor. ) на территориально:! научно-технической ксч^ерепции "Гидрогеология, ичнрнерная геология и охрана скруаао:деЯ среды месторождений твердых полезных ископав -мах"(г.Свердлоьск,1955г. ) ча научно-технических конференциях СГЛ (г.Свердловск,IS86,1987,1983,1990 г.тО, на Всесоюзно!! конференция "Элективная технология, способы и сродства,' обеспечивавши« сопр?менн«о требования к экологии местороуденмЯ полеанчх нскопа-е>.!ых"{ г. Москва, 1990г.) , ¡га'Российском совещании "Гидрогеология, 'инженерная геология и геоэкология месторождений полезных ископаемых (г.Екатеринбург,1994г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 17 работ, в том числе получено три авторских свидетельства.

Объем работ н. Диссертационная работа состоит из введения,5 разделов, заключения, списка используемой литературу иэ 130 наименования, содержит 155 страниц основного текста, • 22 таблицы, G7 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕтШЕ РАБОТЫ

В настоящее время существует большое многообразие методов расчета сдвижений массива горных пород и зонной поверхности, установлены основные особенности и параметры процесса сдвижения горных пород и земной поверхности при подземной разработке угольных месторождений, !

Наибольший вклад в исследозание облих закономерностей процесса сдвижения горних порода факторов, злиящих на еднигение земной поверхности, разработку методов расчета,внесли ученые: Аверяпн С.Г..АкиноП/А.Г..Еахурян И.М. .Земисев В.Н.,йофис М.А.,

Клзаковсккй Д.А., Коябетов C.fi., Портков М.В., Крстч Г., Медяк-цов А.Н., Цуллер P.P., Петухов К.А., Самарин В.П., ¿исс-нко Г.Л., Елдрин А.Г., Ягунов А.С. и др. , 0

■ Из всего многообразиячработ выделено три основних направления: работы по созданию общей теории деформирования массива и теоретических методов расчета; работы, посвященные омпиричоским методам расчета; работы по созданию полуэмпкричиских методов расчета сдвижений и деформаций горних пород.

Анализ состояния изученности процесса сдвиясния горних пород к нетадов расчета при разработка наклонных и крутых плостоь показал,что в настояцэе время установлена основные закономерности процесса сдвигания при средних глубинах разработки, в методиках, в основном, учитывается влияние одиночных виррботок, -недос -таточно отражено влияние свиты пластов, роль сдвига пород и глубины разработки на параметры процесса сдвижения, ае получили должного развития методы по определению сдвижений и деформаций в толс;е при сдвижении пород по напластованию.

Кроме того, в известных методиках величина сдвижения от из-, гиба и сдвига учитываются отдельно, что приводит к уменьшению точности их расчета.С учетом сказанного в роботе сформулированы следующие задачи исследований;

определение закономерностей процесса едшокения путгм анализа и обобщения данных натурных и лабораторных исследований в условиях выемки свиты крутонаклонных пластов; ' ■'

разработка методики расчета сдвижений-и деформаций земной поверхности при логлризонтной выемке свиты сближенных крутонаклонных пластов;

разработка методики провоза сдвижений и деформаций массива горных пород • пи выемке крутонаклонных пластов на основе развития экспериментально-аналитического метода расчета;

соиогшенствопанке способов управления процессом сдвияення горних пород, охрони сооружений и природных объектов на основе прогнозирования •едвнжекпл и деформаций массива горных пород и земной поверхности.

Исследование деформирования подработанной толщи горних пород и характера процесса сдвижения и деформаций земной поверхности в условиях разработки свита крутонаклонных пластов произво -дилось на моделях из эквивалентных материалов и на основе натурных наблюдения.

Моделирование и обобщенно его результатов позволили установить, что разрушение и деформирование пород над выработанным пространством в значительной степени зависит от строения вмеп;а-«нцих пород, трения и сцепления по контактам, угла падения пласта, размеров очистного пространства, степени влияния ранее пройденных очистных выработок. При этом так^е установлено; :

изменение относительных деформаций растяжения массива над выработанным пространством характеризуется степенной записи -мостьго;

при сближенных пластах свиты зависание пород в междупластье минимальное.максимальная деформация на уровне пласта при повторной подработке в 1,5-2 раза меньпе, чем при первичной, величины сдвижений больие в 1,2-1,5 раза;

при зависании пород изменяется распределение вертикальных Деформаций в толще, величина раскрытия полости расслоения может быть выражена зкепенентой в зависимости от положения над выработанным пространством; • • ■.. отклонения вектора сдвижбйка от. нормали к пласту одинаковые в зона полных сдвижений 1Г линейно возрастают в направлении к земной поверхности;

распределение ^еличин послойных сдвигов в массиве характеризуется экспонент^й; ■

возможность проявлен}«: сдвиговыхi деформаций увеличивается при сдвижении пород по кспластованне с возрастанием угла падения плоскости сместителя разрывного нарушения и угольного пласта, t?re-пени концентрации работ вбдизи тектонических нарушений;

качественное распределение величин сдвига по плоскости сместителя определяется в еапиоикосги ох положения ензетителл относительно зон сдвижения, величина сдвига минимальна d зоне опорного давления, максимальна в зоне, изгиба и сдвига пород.

Из результатов натурных наблюдений при разработке солги угольных гластое на уральских месторождениях установлено, что граничные угль; зависят от угла падения пласта и глубины горных работ:

J3. = сГа - Kji; Ы ,' ы 4 Ып (г =о.а £0,01), (I)

где J3„ и граничные углы со стороны падения и простирания пласта, Значения граничного угла с£и коэффициента К^олределены для гхубин разработки: 100 <- Н < 300 м, 300 < Н < 600 м и II >-600 м в условиях Кизелосского, Челябинского бассейнов к на Буланалском -месторождении.

На основании обобщения параметров получены зависимости изменения коэффициента относительного максимального оседания при первичной и повторной подработках:

1-0,,г =1 +Clt2-f

С2)

где^ - средневзвешенная крепость пород, определяемая Для хавдого басрейна в зависимости от процентного содержания в толще пород выделенных групп литологических разностей; С,(2 - коэффициенты, С^ » -0,05, Сг • -0,033.

С увеличением крепости пород и глубины разработки величины (^-01,^02^) уменьшается. Это отмахает склонность массива к зависаниям при более прочных породах.

По инструментальным наблюдениям за сдвижением земной поверхности а результатам моделирования на эквивалентных материалах установлено, что*векторы сдвижения отклоняются от нормали к напластованию по падению в результате продольного сдвига'пород. Под продольным сдвигом понимается форма деформаций горного массива, вызванная потерей устойчивости горных пород в направлении вдоль слоев за счет преодолений сил сцепления и трения'.

В условиях продольного сдвига пород величина максимального оседания возрастает:

, 1т.* "ЧпЯЬ'М'М/™*. (3)

гдеУм- угол отклонения вектсра сдвижения от нормали по паданию пласта в точке максимального оседания,град.

Величина угла Ум вычисляется из соотношения

(4)

гдо Рц - угол трения массива горных пород,град .Среднее значение рм определено для каждого бассейна решением задач« минимизации II Ум И *"*" Шит. с использованием данных натурных наблюдений. Величина рм больше и прочных,кенарупенннх подработками породах, склонных к зависаниям.

Из анализа результатов инструментальных наблюдений установлено, что при отработке свиты крутонаклонных пластов и взаимном влиянии очистных выработок максимальное оседание определяется с учетом (3) по формуле . Л

.. 17 =РгСВтУ,с^с^об/с(-^м) со)

ил7,у> II '

где коэффициент,учитывающий взаимное влияние выработок при

разработке крутснаклонных пластов, по горизонтам; т. - ^ынимаемад

мощность сблихенных пластов в пределах горизонта,,м;

1«<

средний угол падения пласта в пределах горизонта,град.;

|/^иЛ^-коэ4*.ииснты подрэботааности, учить, лаециа взаимное влияние выработок в свите. Численные значения коэффициентов)/^ и К, дбны в табличном виде. " «

С учетом продольного, сдвига пород горизонтальное сдвижение в точке максимального оседания равно

(в)

В остальных точках земной поверхности сдвижения вычисляется аналогично (б)

де УрС?)- угол отклонения векторов сдвижения от нормали к плас-* в произвольной точке земной поверхности,град...

В полумульде по падению ^(г^убывазт с увеличением :

- Уц(1 ~. где величина определяется для каждого бассейна, (0,&5*0,65)-(0Дг0,15) "Ьдо(. : •

Получено квадратичное распределение У(,(21)в полумулвде по восстанию [0, исходя из (б) и значений углов отклонения вектора едшжения в точках 0 и Г, где ' и

УЛ(2Г) при гг? гг Уп(22)=9О°.

/Дальне?.люе развитие получил метод типовых кривых, основанный на дополнительном анализе положения и.величин сдвижений и деформаций в характерных точках мульды. На основе аналитических исследований предложены оптимальные функциональные''зависимости, наиболее'полно отражайте горнотехнические условия подработки. Для определения оседаний предлагается показательно-степенная функция 5 (2)

5сг) - Ь/*Д>в'

2 6 10, 1 ] , 10

гдеТе,- Ч '/Ч - - 0,1-0,3; 0,5-0,7$ С^- степенной параметр, Л, - 2-3.' т

Подучены значения коэффициентов при полной и неполной подработках при переходе горных работ на глубокие горизонты в Челябинском и Кизеловском бассейнах. Анализ порученных данных показал, что коэффициент ^линейно убывает с увеличением .

Функции 5с?](8) определены в полумульдах по падение и восстание в зависимости от глубины разработки и степени подработанности земной поверхности.

В предложенной методике расчета ожидае*:ых сдвижений и деформаций при ведении горных работ по горизонтам с оставлением междуэтажных целиков на основе схемы сдвижения массива (рис.1) сдвиха-пия и деформаций земной поверхности вычисляется по форцулам:

I) оседание земной поверхности

(9)

где/,ги/,4 - размеры полумуяьды по падении и восстанию,м ,

2Г4 = Н(сЬдв 1-с4дс1)-Н8,(сЬсСго1$)Г0) у

В ~ угол максимального оседания, определяемый о учетом влияния выработок смежного горизонта,град;

Нв^ - глубина верхней границы очистных работ, Нвх >100 м;

2) наклоны вкрест простирания пласта

<71в - максимальный наклон в полумульдах; 1т = К,' 1т у>/г 1тх = ^' Чт.* приведенная функция

распределения наклонов, заданная таблачго для каждого бассейна,

3) горизонтальные сдвижения вкраот простирания пласта

% = (Ш

II

£§) В

с а

Рис.1. Схема сдвижения массива горных пород: I - зона обрушения; 2 - зона интенсивных расслоений; 3 - зона расслоений; 4 - зона сдвижений по'напластование; а - зона сжатия; 6 - зона сдвижений лежачего бока пласта; ' ~ зона изгиба и сдвига пород - .*

Рис.2. Схема к определение сдвижений по напластованию'

12 ■

/

4) горизонтальные деформации вкрес» простирания пласта

Т^е'Р-Ь/.г) , . <»>

где £/прх максимальные горизонтальные деформации я подуцульдах * приведенное распределение деформаций в полумульдах сдви-

жения, I Я

распределение Н^) принимается линейным нежду характерными точками, при незнатательнои влиянии продольного едгкга (Н > 300м) . горизонтальные деформации могут быть определены иа соотношения ; б-гЦ'^К . что следует из (12) 1фи

5) расчеты сдвижений и деформаций вемной поверхности от нескольких выработок на разных горизонтах выполняется путей алгеб- • раического сложения сдвижений и деформаций в пределах каждого горизонта,-а также нескольких горизонтов^

6) расчет сдвижений и деформаций в области сдвижений по иа-пЛастовьнио выполняется по методике, приведенной ниже, на интервале [(¿л 0.1)^1 величины сдвижений определятся линейной иктер -поляцией. Вычисленные по методике суммарные сдвижения и деформации достаточно хорошо согласуется с измеренными величинами, погрешности не превышает 20-30Х.

Цзтодика расчета сдвижений и дефрркаций земной поверхности при подвижхах пород по напластовании дополнена с учетом глубины разработки, взаимного влияния очистных выработок при отработке угольных пластов по горизонтам и получила развитие при прогнозировании деформаций в краевой части области сдвижений по наллас -тованип в сечониях цульды, параллельных главному. Расчет сдвижений и дёфориаций по напластованию от отдельной очистной выработки выполняется по форчг^ам:

I) оседание земной поверхности над выходом разрабатываемого пласта под наносы

Г 1св = Ка,<'т/Нв , С г =0.85 ±0,03), ш)'

13

где Нв - -глубина верхней границы очистной выработки, На г 100ц}

^осГ коэффициент, учитывающий влияние угла падения пласта, сдвижение лежачего бока пласта и определяемый для каждого баса-

О . ■

на; .■/•■•■■

2) оседание войной поверхности в точках А и Г (рис.2)

где 5(2а г) ={1/2^ - I) \ гд г - координаты точек А и Г; Кнв « 0,7-1,0;

3) оседание » «очке С

Чс -Пс/нМ' +1сЬ, ав).

где Не - расстояние по вертикали, проходящей через верхнюю границу очистной выработки от ееиной поверхности до рассматриваемого слабого контакта, Но 4 0,4 Нв , и;

4) горизонтальные деформации в местах выхода слабых контактов

ъ - 1св* (2 - Нс /Нв )*■ сЬд а /зо^ол

5) оседание в сечениях, параллельных главному,

•»•де Кен и Кгн - коэффициенты, определяемые для каждого бассейн!^ *зн - 0,354),5, Кгн - 0,8-1,1.

При:разработке свиты пластов сдвижения и деформации поверхности го напласторанно вычисляются от каждого раорабазываамогсг,

^ Суммарное одвгаения и деформации опре^о^--

в»С?'.^ад.^ЛРебрадпеского сложения сдвижений и очистных выработок. При {Дофаботде сбдцэдшре радстоо по горизонтам* находят величина -сдважекий в характерных точках от выработок каждого И8

усматриваемых горизонтов и производят, их х^штрошп«^ рседомм над верхней границей очистных робот в точке Л, (рисЛ), определи-' ют по формуле

где Г^г оседанио в точке А, от выработок I горизонта, определяемое ш (14),м-Оседание

в точке С (рис.1) вычисляется по (14) при Z-ZJr ^ ^ а горизонтальные деформации £спо-Ц6) при = ^'ics-

Прогноз сдвижений и деформаций горного массива производится, для отдельных условий и вон с учетом экспериментальных данных и моделирования. В основу расчетов положен экспериментально-аналитический метод (SAU). Суть его ааклочается в том, что общий вод распределений, сдвикенкй и деформаций задается аналитическими выражениями, параметры которых находятся в вависимости от граничных ловий, характера деформирования пород в зонах сдвижения« Реализа^ цкя ЗАМ осудрст ваяется в условиях слоистой толщи пород при рвара-» ботке кругонаклонных пластов. По атому методу рассчитывается вер-> тякальнь» сдвижения подработанной толщи в зависимости от иахск ~ мального оседания f|( У) и функции S(Z,У)

4(z,ü) =г|т(У) • 5 (2,у), у е Со, SJ, а»)

где5(Z,U) = к,(У)(2/^9)*а<; y=HcO5iÖ^)/sifi0;

У - расстояние от пласта до точки массива перпендикулярно плоско-, стям наплпстованшди. Общий вид функций

определяется

на основе аналитических выражений, параметры которых вычисляется В зависимости от граничных условий, характера деформирования пород в зонах сдвижения, йункцкя выбирается исходя из пояоже-. йия и величин вертикальных сдвижений в характерных точках! S(z, 9)-s-^Cz^функция опредаггмась интегрированием относительных' де«Dp«^цни поденных для каждой зоны сдвижения, и зависит' ■

oí вертикальных сдвижений: на границе зоны обрушения П , расслоений П к на земной поверхности П .

Вертикальные деформации в толще определяйся дифференцированием функция r[(Z,y) (19) ro z 0

Uz.y) ^ Ц(У)-5íz,y), .120)

где ст(у) ^ K<i2-qm( y)/¿,.2<y); s'(z.d) =S(z).

Размеры подумульд по падение £ (у) и восстанию У) определялись о учетом положения границы зоны сдвижения массива н точки максимального оседания в толвд горных пород. Положение точки ыахс*у.ального оседания в массиве находится о помощью угла 0

8(У) = 90*-о: + azcig С(У/Н ?Ф(с(,е)]. <2I) -

Установлено, что при сдвиге и сползании пород вехторы сдвижения отклоняется от нормали к напластованиям по поденно. С учетом отого сдвижения горного массива вычисляется из соотношений ,

- ^ycosíci-W/coscc, («-if). .

Угол отклонения векторов сдвижения от нормали к напластованию зависит от условий разработки пластов, прочностных свойств массива горных пород, условий деформирования пород в различных зонах сдвиганий. В области полных сдвижений угол У принят равный (4). В других зонах вследствие прогиба пород и проявления горного,давления величина У изменяется. В зоне изгиба и сдвига : пород ад;'восстанию отадюнение векторов сдвихеиия характеризуется заяисмифстьо

На о crío as (£2),рощшш соогнопения для определения сдвижения к деформаций в толя,е.

Согласно повестки« рзспредел»шшмй-.-*фор«ацкП и сдшскзнигГ в границах области на основе ЭАМ определяптся величины сдвижений яз напластование внутри области, учитывается сдвиг пород по слабым контактам, йункции распределения оседаний по характерном контактам (рис.2) получены следуощими:

124)

2Ск=1-(Нв"Нс)с05с<:/|7) • (¡1^ - максимальное оседа-

ние, определяемое по известной функции ПСУ) при У -И, г'-1!

<-т

При расчетах сдвижений » зоно опорного давлонм используются величины оседаний земной поверхности и разрабатываемого пласта, распределение вертикальных деформаций:

где В£ - параметр, характеризуещий и&иекешю деформаций сжатия, Во » 2,5-3,5; /„- размер зоны опорного давления;

* ¿т (I - е"Вг) •

Вертикальные сдвижения в зонах опорного давления определяется интегрированием вертикальных деформаций (26).

-Вопросы сдвижения решается для основных схем подработки объектов на основе прогнозов деформация. Рассмотрены три основные-схемы: ведение горных • чбот непосредственно под охраняемым объектом (схема I), ведение горных работ по восстанио от охраняемого объекта (схема П), ведение горных работ по падение от охраняемого объекта (схема Ш). Для каждой из схем разработаны мероприятия по

снижению деформаций; определен оптимальный порядок вмеикн угля в

пласте к пластов в свите, рекомендовано принудительное обрушение

крозлн пластов крутого педения. Оптимальный порядок выемки угля в

о

одном пласте и и пластах свити регламентирует последовательность ведения госных работ, при которой влияние подработки на охраняемый обтюхт минимально.условиях схемы II определяет границы эоны опасного влияния, используя угол Xп '.

= агс1д [ Ям/((Нвп-Н0)-с1д^-?0/2)], (27)

где Н„ - предельная верхняя глубина ведения горних робот ;м; вп

• протяненность охраняемого объекта,цНо - расстоянио от объекта до верхнего разрабатываемого пласта свиты, м.

- В условиях схемы Ш положение границы зоны опасного влияния определяется углом :

.р„=агс1д[НИа'^сс/(Нв-Нн„'1д^Шг (28>

где Нн„ — предельная нижняя глубина ведения горных работ,«.

На^осноэе прэдложенного экспериментально-аналитического способа прогнозирования сдвижений и деформаций горных пород разработан метод определения границ зон опасного влияния горных работ на охраняемые объекты. Метод заклочаатся в получении искомых параметров из сравнения расчетных величин сдвихений и деформаций с до -пуступилм и предполагает их представление в виде аналитических зависиизезов» Из условий : и £с

иолучыод уравнения а определены глубины Н8() н ИНо , на осмоле-Которой: .'с исюдьчовгнкем (2? в £8) может быть получоно половят*» мнят« -.рри решении вопросов охраны обш^а, расположен« ьн.рс&ютя влияния.лодвемнях разработок. .

На осноЦша прогнова. сдвижений и деформаций массива горниц пород ч.веыной поверхности, с учетом условия: Б < Б д , где показыгель допустимого состояния шахтного ствола, балл> •

I Я

получена фор чу л; для определения! бппа'/аС зон *при и'едении гор1!.-х рчбох' ..вблизи г.ертккальных шахтных стволов. Состояние сахтаого ствола определяется из выражения •

(29)

где 1_ств~ суммарное прогнозируемое оседание устья ствола;м;г|^=: » (0,1-0,15) м; КБ- степенной показатель, КЕ -0,6. Построение опасных зон и отработка пластов между границами опасных зон и границами предохранительных целиков с применением комплексных мер охраны исключают опасные деформации шахтных стволов.

Принудительное обрушение кровли пластов крутого падения предназначено для управления сдвижением массива горных пород с целью снижения дефорлаций на охраняемом участке. Разработано два способа управления процессом сдвижения горних пород. Один из них включает буренио спуров в кровлю пласта из очистного пространства-лапы по мере ее подвигания. Шпуры бурят горизонтально длиной 2 »-~пг /(¡{р- !)5;,1с(. взрыванием рядов груров, начиная с нихчйго ряда,' ■последовательно снизу вверх заполняат все выработанное пространство обрусепныыи породами кровли. Вто,. эй способ включает бурение и взрывание вееров скважин в верхней части лавы^равнпй 1/3 её длины по падению перед посадкой основной кровли, сначала в кровла> затем в почве после заполнения обрушенными породами из кровли выработанного пространства. В результате применения этих способов снижаются деформации пород, что обеспечивает сохранность объектов, расположенных в зоне влияния подземных разработок. Получена фор- . мула для определения размера барьерного целика вблизи нарушений

печинаг^г,! безопасное ведение горных работ вблизи нарушений,град.

С целью повышения безопасности ведения горних работ продло--кен способ охраны горних выработок от прорывов йоды из обводненных разрывных тектонических нарушений. Способ заключается в бурении сквэкин из специальной выработки, проводимой вблизи нарубания, определении границ асни трещин, по положению которых по -лучаот значения <}/т и ^ т и используют для определения ширины барьерного целика по формуле (30).

Уменьшение размеров барьерных целиков обеспечивается уменьшением размеров, зоны техногенных трещин путем применения прнку -дительного обрушения кровли или уменьшения размеров очистного пространства.

ЗАШЯЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое £евениа актуальной за- . дачи прогнозирования сдвижений и деформаций ...ассива горных пород и земной поверхности при разработке свит крутонаклонных пластов для совершенствования мер охраны сооружения и природных объектов ни угоЛьных месторождениях.

Основные выводы и рекомендации по работе сводятся к следующему :

I. С увеличением глубины горных работ и подработанности массива уменьшаются граничные углы сдвижения, возрастает роль сдвиговых деформаций. Получены новые зависимости, повывающие надежность прогнозирования величин сдвижений и деформаций земной поверхности при разработка сблиланшх крутонаклоишх пластов по горизонтам на угольных месторождениях Урала,

а,, Разработана методика прогноза сдвижений и деформаций •

■ -1 л

земной поверхности при выемке свиты крутонаклонных угольных плас?ав "по"горизонтам, в которой учитываются влияние . глубины разработки на параметры процесса сдвижения,

подвижки город по напластование, продельный сдвиг пород. Йе^одика также учитывает: новый вид зависимости максимального оседания от угла отклонения вектора сдвижения Ум, ковффициентоэ подработйннос-ти земной поверхности, определяемых в условиях свиты сближенных ' пластов, коэффициента относительного максадального оседания, позволяющих определять максимальное оседание с точностью 10-101; новый вид зависимости горизонтальных сдвижений земной поверхности; уточненные зависимости для расчета максимальных и горизонтальных . деформаций в условиях взаимного влияния очистных выработок в свите, которые позволяет прогнозировать деформации с точностью 20-309»., Методика разработана с учетом увязки величин сдвижений и деформаций на границе области сдвижения пород по напластование.

3. Экспериментально-аналитический метод расчета сдвижений и деформаций-в мульде дает возможность более надежно прогнозировать сдвижения и деформации при разработке крутонахло_нных пластов. Для расчета сдвижений и деформация земной поверхности от очистных выработок рассматриваемого горизонта предложены оптимальные функциональные зависимости, отражаете характер сдвижения горных пород, основанные на величинах сдвижения и деформаций, прогнозируемом положении в полу мульдах сдвижения характерных точек.

4. Разработана методика расчета одвижений по напластование, в которой учитывается сдвижения от выреботок разрабатываемого горизонта, продольный сдвиг пород, совместное проявление изгиба и сдвига, позволяемая более полно я надежно определять сдвижения н деформации в области сдвижений по напластование на вемной поверхности о увеличением глубины разработки сближенных пластов. Погрел ности при сравнении расчетных ч фактических величин сдвижений и деформаций не превышает 20-ЗСЯ, что позволяет увеличить точность прогноза в 1,3-1,5 раза.

5. Исследовано влиянге продольного сдвига пород на сдвижение и деформации на земной поверхности и в толще в зависимости от

.21

угла треьлл и угла падения юрод. Установлены соотношения, отражавшие сто влияние на угольных месторождениях Урала. Учет Мой

формы сдвижения позволяет определять величины сдвижений и дефор-

' • о

маций о использованием свойств породных массивов, и более надежно решать вопросы прогнозирования деформаций.

6. Предложены функциональные зависимости для расчета прогнозируемых сдвижений и деформаций в различных по характеру процесса сдвижения гонах, основанные на исследовании положения н величин сдвижений и деформаций в характерных точках.

7. Способы расчета сдвижений земной поверхности и в толвд при сдвижении по напластованис даст возможность прогнозировать состояние глубоких шахтных стволов на угольных месторождениях Урала и выбирать меры их оациты.

8. Разработанные на основе результатов исследований мероприятия и способы по снижение деформаций повышает зффектианость отрйт бсткн крутоноклонных и крутых пластов вблизи охраняемых объектов.

9. Основные результаты проведенных исследований испольаова -лись пр^' вцдача более 30 рекомендаций и заключений вахтам объеди--нений "Кивелуголь", "Челябинскугодь", проектным организациям,что позволило при их внедрении обеспечить эффективность доработки ва-пасов в слэаат горно-геологических условиях и безопасность содаг ншг рорнах работ. .

Ссиоцииз положения дисссртаци: опубликованы в сяодувфвс работах: ■ ...■ -/■/■ <; . .•..'.•■.

I. Гагарин В.П. , иррян С.Ь.. Влияние океанах очистных сараЛо^ ток »¿характер, с^гикшия торкьзе пород при большой гдубшез

'упрамзиия деформация гр^Ц-, ' разравоп я- «ред»*' реврбботкв'-ейвт угольных -пяатовлй'» •

2. Морин C.B. Распределение вертииалмадх сдвижений и де^орм£ци!) в мулъде//Ивв.вузов.Горний ;гур'Нал.-1986-)?7.-С.52-51. х

3. Морин C.B..Барсуков И.В. Характер деформирования подработанного массива гордых пород в зоне обрушения и интенсивных "... расслоений//Изв.вузов.Горный журналrI987?Jf9.-C.39-4I.

4. Морин C.B., Определение сдвижений и деформаций подработанного массива горнчх пород на основе исследования геомеханических процессов//Внедрение результатов научных исследований на горных и геолого-разведочных предприятиях Уряла:Тез,докл.. конф.-Свердловск,СГИ,1988.-C.I2.

5. Морин C.B.,Самарин В.ГТ. К определении сдвижений и деформаций подработанного массива горных пород//Проблемы повышения эффективности маркшейдерских работ на горных предприятиях,,-Свердловск,I988.-C.63-70.

6. Морин C.B. Определение сдвижений подработанного массива по ' напластованип//Изв. вузов. Горный *ур1:ал,-19897)Я1.-С.30-33.

7. Методические указания по прогнозу сдвижений и дефор*лщий земной поверхности и определении нагрузок на здания при многократных подработках.-Л.,1987.-94с(коллектив авторов).

8. Морин C.B. Прогнозирование состояния и меры охраны глубоких шахтных стволов на угольных месторождениях Урала//Изв.ву-зов.ГорныП журналг1990тШ.-С.38-<4.

9. Морин C.B.,Самарин В.П. Определение размеров опасных зон при ведении горных работ вблизи обводненных разрывных тек- ■ тонических нарузений//Свярдловский ЦНТИ.Инф.листок №490-90,"

Сверддовск,1990.

10.Морин C.B..Самарин В.П. Разработка природоохранных мероприятий при эксплуатация угольных иахт Уральских месторождений //Эффективные технологии, способы и средства, обеспечивающие современные требования к экологии при разработке месторождений полезных ископаемых Лез. докл. Всесоюзн. конф.-М.,

I990.-C.127-128..

11.Норин C.B. Прогнозирование сдвижений и деформаций земной поверхности по напластование на угольных месторождениях

УралаУ/Свердловский ЩТИ.Йнф.листок »704-90,1950.

о

12.Морин C.B. Особенности сдвижения годных пород при изменении угла падания пласта//Пробяемы повышения эффективности маркшейдерских работ «а горных предприятияхгСвердловск,1999.-С.60-55.

13.Морян C.B. Влияние разрывных тектонических нарушений на сдвижение и деформирование горных пород//Проблемы повышения эффективности маркшейдерских работ на горных предприятиях. Свердловск,1990.-С.40-47. 0

14.А.С.У16153бб,МКИ E2I С.41/18. Способ управления процессом сдвижения горных пород под охраняемыми объектами/Самарин В.П., Морин C.B.,Иляхецкий В.К.,СССР.-S4629487/24-03; заявлено 02.01.83; .опубл.23Дг.90,Бюл.К>47. . i

15.A.C., J?IôI3BI2,lKH E2I С 41-18. Способ охраны горных вырабо-, ток от прорывов воды из обводненных разрывных тектонических н(ц>утений/Морин C.B. .Самарин В.П.СССЕ-»3625С68/24-03;эаяв-лено 2t.12.88; оцубл.15.12.90.БюлД'46.

16.A.C. (ÍI7Q024I, МКИ E2I С 81-18. Способ управления кровлей /Морин C.B..Самарин В.П. СССР.-М753767; заявлено 25.10.89;

, оцубл.23.12.91.Бпл.М?.

I7fMopKH C.B. Геомэханические и гидрогеологические аспекты при_ »разработке угольных пластов около обгодненных геологические . нарушений//Тидрог«ология,инженерная геология и геоэкология месторождений полезных ископае.чыхтЕкатеринбург,1994.тС.96-

Mot**-'

<Г1