автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка метода прогноза возможных сдвижений и деформаций земной поверхности над горизонтальными выработками (для условий Яковлевского месторождения КМА)

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ АНАЛИТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА СДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ, ВЫЗВАННЫХ ПОДЗЕМНЫМИ ГОРНЫМИ РАБОТАМИ

§ I. Методы расчета, основанные на теории предельного равновесия сыпучей среды

§ 2. Методы расчета, основанные на закономерности С.Г.Авершина об изгибе слоев пород, прилегающих к земной поверхности

§ 3. Методы расчета, основанные на использовании особых моделей деформируемой среды . •

§ Метод расчета, основанный на применении уравнений случайных процессов

§ 5. Статистический метод расчета деформаций земной поверхности

§ 6. Метод расчета, основанный на применении уравнений вязкопластического течения

§ 7. Метод расчета, основанный на применении теории потенциала

§ 8. Метод расчета, основанный на представлении горного массива в виде слоистой среды.

§ 9. Методы расчета, основанные на применении теории упругости.

Глава П. МЕТОД РАСЧЕТА СДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ГОРНЫХ ПОРОД И ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НАД ГОРИЗОНТАЛЬНЫМИ ВЫРАБОТКАМИ.4°

3 стр.

§ I. Характер сдвижения подработанной толщи при горизонтальном и пологом залегании пластов

§ 2. Модель Больцмана-Вольтерра как основа для расчета сдвижений горных пород

§ 3. Постановка краевых условий для расчета сдвижений горных пород

§ Основные уравнения

§ 5. Расчетная схема задачи. Определение сдвижений и деформаций горных пород с учетом упругих свойств среды

§ 6. Определение напряжений вмещающих пород над горизонтальной выработкой с учетом упругих свойств среды

§ 7. Определение сдвижений и напряжений горных пород с учетом реологических свойств среды

Глава Ш. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ЗАДАЧА РАСЧЕТА СДВИЖЕНИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ ГОРНЫХ ПОРОД НАД ГОРИЗОНТАЛЬНЫМИ ВЫРАБОТКАМИ

§ I. Основные уравнения

§ 2. Расчетная схема задачи. Определение сдвижений и деформаций горных пород и земной поверхности над горизонтальными выработками

§ 3. Определение напряжений в массиве горных пород над горизонтальными выработками

§ 4-. Определение напряженно-деформированного состояния массива горных пород над горизонтальной выработкой с применением гипотезы свободного проскальзывания кровли по пласту

Глава 1У. НЕКОТОРЫЕ ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРШЕНЕНИЯ РАЗРАБОТАННОГО МЕТОДА РАСЧЕТА СДВЖЕНИЙ И ДЕФОМАЦИЙ ГОРНЫХ

ПОРОД . IOI

§ I. Горно-геологическое и гидрогеологическое строение массива и физико-механические свойства горных пород Яковлевского месторождения

§ 2. Прогноз сдвижений и деформаций земной поверхности и в толще горных пород при разработке первого этапа Яковлевского месторождения

§ 3. Оценка точности предложенного метода расчета сдвижений и деформаций земной поверхности на примере

Карагандинского бассейна

Глава У* ПРОГНОЗ ДЕФОРМАЦИЙ ЗБМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПОД ВЛИЯНИЕМ ВОДОПОНИЖЕНШ НА ЯКОВЛЕВСКОМ ЖЕЛЕЗОРУДНОМ

МЕСТОРОЖДЕНИИ КМА

§ I.Основные положения технического проекта осушения шахтного поля Яковлевского месторождения

§ 2. Постановка и метод решения задачи по оценке деформаций в результате водопонижения

§ 3. Исходные дифференциальные уравнения. Расчетная схема решения задачи

§ 4. Определение перемещений и деформаций земной поверхности под влиянием глубокого водопонижения.

§ 5. Результаты расчетов деформаций земной поверхности под влиянием глубокого водопонижения на Яковлевском железорудном месторождении

Проблема сдвижения горных пород под влиянием подземных разработок имеет довольно длительную историю. Круг инженерных вопросов, связанных с этой проблемой, постепенно расширялся и усложнялся по мере развития горной науки. В прошлом они были направлены в основном на изучение оседания земной поверхности над подземными выработками и прогноз возможных повреждений различных сооружений при их подработке. В настоящее время с данной проблемой связано решение многих важных задач таких, как разработка свит пластов, использование защитных действий пластов, совершенствование конструкций крепей и способов управления горным давлением и др. Для их решения уже недостаточно знания только закономерностей сдвижения земной поверхности (оседание поверхности), а необходимо иметь более точные представления о процессе сдвижения горных пород во всей покрывающей толще. Для разработки методов расчета сдвижений и деформаций горных пород необходимо правильно представлять процесс сдвижения. Как указывает С.Г.Авершин в книге [i] : "Одной из главных задач науки о сдвижении пород нужно считать задачу создания методов исследования процесса сдвижения внутри массива, а не только на доступных для наблюдения поверхностях, каковыми являются земная поверхность и поверхности подземных выработок. Для этой цели необходимо использовать всякую выработку, оказавшуюся в зоне сдвижений, ставя в такой выработке наблюдения за ее сдвижениями и деформациями". Не менее важно проведение лабораторных исследований на моделях с эквивалентными материалами. Этим путем можно получить сведения о процессе сдвижения пород в различных осложненных условиях, например, в условиях тектонических нарушений, при разном сочетании пластов пород и т.д. Кроме натурного и лабораторного подходов процесс сдвижения горных пород может и должен исследоваться путем теоретического анализа, как процесс, возникающий и протекающий в сплошной среде. При таком анализе должны быть использованы методы механики сплошной среды. В последнее время все более широкое распространение получил комплексный подход к исследованию процесса сдвижения. Сочетание аналитического подхода с экспериментальными исследованиями (экспериментально-аналитический метод) открывает новые возможности для решения проблемы сдвижения горных пород. Использование натурных наблюдений за сдвижением в качестве исходных данных при исследовании аналитическим методом позволяет упростить аналитическое решение, доведя его до расчетных результатов, применить общие закономерности к конкретным геологическим условиям и горнотехнической обстановке.

Целью данной диссертационной работы является изложение нового метода расчета сдвижений и деформаций земной поверхности и в толще горных пород над горизонтальными выработками, использующего основные положения механики сплошных сред и данные экспериментальных наблюдений за сдвижением.

Следует отметить, что решение задачи предрасчета сдвижений имеет не только теоретический интерес, как один из методов исследования, но и носит весьма актуальный характер при решении ряда практических вопросов. Так, например, проблема охраны зданий и сооружений на подрабатываемые территориях и рационального использования полезного ископаемого в недрах (оставление предохранительных целиков) основываются целиком на ожидаемых деформациях земной поверхности. Только в результате определения ожидаемых деформаций земной поверхности при проведении подземных горных работ можно дать окончательный ответ на вопрос о пригодности данной площадки для строительства тех или иных сооружений, решить вопрос о выборе методов охраны объектов, попадающих в зону сдвижения.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных аналитических исследований, сопоставленных с натурными данными, можно сделать следующие выводы:

1. Предложен новый метод расчета возможных деформаций дневной поверхности и толщи налегающих обводненных горных пород под влиянием горизонтальной подработки, основанный на использовании положений механики сплошной среды (наследственной теории упругости), который пригоден также и для оценки деформаций дневной поверхности под влиянием глубокого водопонижения.

2. На базе аналитических зависимостей, полученных предложенным методом, произведен прогнозный расчет возможных сдвижений и деформаций дневной поверхности для Яковлевского железорудного месторождения. Исходя из предельно допустимых деформаций по правилам охраны сооружений от вредного влияния подземных горных работ дано положительное заключение о возможности строительства на территории Яковлевского рудника, попадающей в зону сдвижения зданий и сооружений всех категорий, поскольку прогнозные деформации не превышают критических значений. Это заключение использовано институтом "Центрогипроруда" при выполнении корректировки технического проекта строительства Яковлевского рудника. Ожидаемый экономический эффект от внедрения составляет 36 тыс.рублей в год.

3. Разработанный метод определения сдвижений и деформаций целесообразно использовать цри проектировании разработок месторождений с твердеющей закладкой выработанного пространства, поскольку подработанная толща не содержит зон обрушения и трещин и деформируется аналогично упругонаследственной среде. Достоинство. предложенного метода заключается в том, что он позволяет своевременно предусмотреть мероприятия по защите строящихся на поверхности объектов от воздействия вредного влияния горных работ.

4. В процессе выполненных исследований: а) Решена плоская задача по расчету сдвижений и деформаций горных пород над горизонтальными очистными работами на основе рассмотрения расчетной схемы полосы со смешанными граничными условиями. Конечные расчетные формулы получены в замкнутой форме. б) Решена задача по определению напряжений в подработанном массиве горных пород. Изложенная методика расчета напряжений является новым вариантом экспериментально-аналитического метода. в) Решена пространственная задача по расчету сдвижений и деформаций земной поверхности над горизонтальными очистными работами на основе расчетной схемы слоя со смешанными граничными условиями. Окончательные выражения получены в замкнутой форме.

5. Теоретически обосновано прорабатываемое в настоящее время в соответствующих проектных и исследовательских организациях предложение о перенесении вскрывающих горизонтальных выработок (квершлагов) в более прочные гранитные породы, не подлежащие осушению.

1. Авершин С.Г. Горные работы под сооружениями и водоемами. М., Углетехиздат, 1954, 324 с.

2. Авершин С.Г. Сдвижение горных пород при подземных разработках. М., Углетехиздат, 1947, 245 с.

3. Салустович А. Профиль мульды сдвижения как изгиб слоя на упругом основании. В сб. Вопросы расчета сдвижений поверхности под влиянием горных разработок. М., Углетехиздат, 1956, 64 с.

4. Будрык В. Расчет элементов мульды сдвижения над горизонтальными выработками. В сб. Вопросы расчета сдвижений поверхности под влиянием горных разработок. М., Углетехиздат, 1956, 64 с.

5. Литвинишин Е. Дифференциальное уравнение сдвижения горных пород. В сб. Вопросы расчета сдвижений поверхности под влиянием горных разработок. М., Углетехиздат, 1956, 64 с.

6. Муллер Р.А. Расчет сдвижений горных пород под влиянием подземных разработок при горизонтальном и пологом залегании пластов. В сб. трудов ВНИМИ, вып. 31, 1957.

7. Муллер Р.А. Теоретические методы расчета деформации земной поверхности. В кн. Проектирование и строительство зданий и сооружений на подрабатываемых территориях. М., Госгортех-издат, 1963, 452 с.

8. Муллер Р.А. Влияние горных выработок на деформацию земной поверхности. М., Углетехиздат, 1958, 76 с.

9. Авершин С.Г. Расчет деформаций массива горных пород под влиянием подземных разработок. Л., изд-во ВНИМИ, I960, 87 с.

10. Шадрин А.Г. Некоторые закономерности сдвижения горных пород в подработанной толще и способ расчета этих сдвижений. -фТПРПИ, 1971, В 3.

11. Шадрин А.Г. Расчет деформаций массива пород в зоне влияния очистного забоя. ФТПР1М, 1972, В 2.

12. Шадрин А.Г. Анализ и расчет траектории сдвижения точки земной поверхности при движущемся очистном забое. ФТПРПИ, 1973, №. I.

13. Литвинишин Е. Применение уравнений стохастического процессак механике малосвязной среды. Архивум механики, Варшава, т.УШ, 1956, № 4.

14. Литвинишин Е. Теоретическое обоснование сдвижения горных пород как стохастического процесса и его экспериментальная проверка. Доклад на Европейском конгрессе по сдвижению горных пород. Лидс, 1957.

15. Боджиони Е., Литвинишин Е и Смолярский А. Новые исследования поведения массива на основе уравнений стохастических процессов. Доклад на международном конгрессе по горному давлению. Париж, I960.

16. Смолярский А. Теория сдвижения стохастической среды в применении к наклонно залегающим пластам. Труды Фрейбергской академии № А-86, 1958.

17. Муллер Р.А. О статистической теории сдвижения горных пород и деформаций земной поверхности, вызванных горными работами.- Вопросы проектирования и защиты зданий и сооружений от влияния горных выработок. М., Центрогипрошахт, 1961, 418 с.

18. Муллер Р.А. Некоторые задачи стохастической механики грунтов и горных пород. Горное давление и механика сплошных сред. Новосибирск, 1963.

19. Крыжановская Т.А. Взаимосвязь сдвижения и давления горных пород при проведении горизонтальных горных выработок. Изв. Киев. Политехи.института, 1956, т.ХУЛ.

20. Черный Г.И., Бейлинов Я.И. и Гуров С.Г. Методы защиты зданий и сооружений на подрабатываемых территориях. Киев, "Будивель-ник", 1965, 184 с.

21. Лапидус Л.С. К вопросу о расчете перемещений земной поверхности, вызванных подземными работами. Основания, фундаменты, механика грунтов. М., изд. Высшей школы, 1961, № 2.

22. Ватутин С.А. Сдвижения и деформации земной поверхности и горных пород над движущимся забоем. Сб. трудов ВНИМИ, вып.47, Л., 1962.

23. Акимов А.Г., Земисев В.Н. и др. Сдвижение горных пород при подземной разработке угольных и сланцевых месторождениях. М., Недра, 1970, 224 с.

24. Земисев В.Н. Расчеты деформаций горного массива. М., Недра, 1973, 145 с.

25. Дуниковский А. Архивум Горництве и Хутництве. Варшава, 1956, № I.

26. Дуниковский А. Архивум Горництве, т.1, № 3, Варшава, 1956.

27. Дедюкин М.Н. 0 распределении смещений земной поверхности под влиянием подземных разработок. Научные труды Пермского горного института, сб.1, 1956.

28. Ержанов Ж.С. Теория ползучести горных пород. Алма-Ата, Наука, 1964, 176 с.

29. Лисовский А. Аннотация докладов на первом Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике. М., I960.

30. Хаккет П. Исследование сдвижений горных пород, вызванных горными работами, методами теории упругости. Труды Горного института. Лондон, т. 118, 1959, № 7.

31. Дымек Ф. Архивум Горництве, 1973, № 2, Варшава.

32. Дышек Ф. Архивум Горництве, № 4, Варшава.

33. Красовский А.Н., Мартынов Ю.И. Расчет деформаций при сдвижении пород над горизонтальными выработками. Сб. трудов ВИОГЕМ, ХУЛ, Белгород, 1972.

34. Проектирование, строительство и охрана зданий и сооружений на подрабатываемых территориях. Госгортехиздат. М., 1963, 452 с.

35. Слесарев В.Д. Механика горных пород. М., Углетехиздат, 1948, 303 с.

36. Канлыбаева Ж.М. Закономерности сдвижения горных пород в массиве. Наука. М., 1968, 108 с.

37. Кузнецов Г.Н., Будько М.Н. и др. Изучение проявлений горного давления на моделях. Углетехиздат. М., 1959, 283 с.

38. Грицко Г.И., Власенко Б.В. Экспериментально-аналитический метод определения напряжений в массиве горных пород. Наука, Сибирское отделение, Новосибирск, 1976, 190 с.

39. Инструкция по наблюдению за сдвижением горных пород и земной поверхности при подземной разработке рудных месторождений. Изд-во ВНИМИ, Л., 1958.

40. Работнов В.Н. Ползучесть элементов конструкций. М., Наука, 1966, 752 с.

41. Уфлянд Я.С. Интегральные преобразования в задачах теории упругости. Л., Наука, 1967, 402 с.

42. Грицко Г.И., Власенко Б.В., Миренков В.Е. Пространственный экспериментально-аналитический метод определения механического состояния массива горных пород. ФТПРПИ, 1977, )!? I.

43. Отчет об инженерно-геологических и гидрогеологических изысканиях для обоснования рабочих чертежей строительства шахтных стволов Яковлевского рудника КМА треста "Центроруда". ВИОГЕМ, Белгород, 1972 (I кс, 2 кс, 4 кс).

44. Технический проект осушения шахтного поля Яковлевского рудника. ВИОГЕМ, Белгород, 1979, 321 с.

45. Красовский А.Н., Мартынов Ю.И. Предрасчет сдвижений и деформаций земной поверхности и горных пород при разработке первого этапа Яковлевского месторождения. Сб. трудов ВИОГЕМ, ХУШ. Белгород, 1973.

46. Медянцев А.Н. О точности расчета деформаций земной поверхности. Сб. трудов ВНИМИ, вып.43, Л., 1961.

47. Сводный отчет об опытном водопонижении на Яковлевском месторождении КМА, инв. № 207, ЦНИИгоросушение. Гуркин А.Я., Твер-дохлебов И.П., Белгород, 1962, 329 с.

48. Кузнецов С.В. Горное давление и деформация массива горныхпород при осушении водоносных горизонтов. В кн.: "Научно-технические проблемы разработки месторождений полезных ископаемых". М., изд. ИФЗ АН СССР, 1974, № 5, с. 164-174.

49. Николаевский В.Н., Баскиев К.С., Горбунов А.Т., Зотов Г.А.Ме-ханика насыщенных пористых сред. М., Недра, 1970, 269 с.

50. Отчет (заключительный этап) по НИР 36-1-5-37д-701. П-З-а-ПП

51. Прогноз деформаций горного массива под влиянием глубокого водопонижения на Яковлевском железорудном месторождении" темы "Исследование геомеханических процессов и явлений при строительстве и эксплуатации Яковлевского рудника". Белгород, ВИОГШ, 1973.

52. Методические рекомендации по оценке напряженно-деформированного состояния массива горных пород под влиянием осушения месторождений, Белгород, ВИОГШ, 1978 , 51 с.

53. Отчет по теме 3.8.1.7.17, раздел 6: "Исследование влияния осушения месторождения на характер проявления горного давления при ведении горных работ на Яковлевском месторождении",М.,1973.

54. Руппенейт К.В., Либерман Ю.М. Введение в механику горных пород. М., Госгортехиздат, I960, 356 с.

55. Динник А.Н. Статьи по горному делу. М., Углетехиздат, 1957, 195 с.

56. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. М., изд. Высшая школа, 1968, 512 с.

57. Щелкачев В.Н. "Разработка нефтеводоносных пластов при упругом режиме". М., Гостоптехиздат, 1959, 467 с.