автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Управление геомеханическими процессами при комплексном освоении угольных месторождений

РГО од

• Министерство топлива и энергетики Российской Федерации Институт горного дела им. А. А.Скочинского

На правах рукописи

Евгений Владимирович БЕЛЯЕВ

УДК 622.014.3:251.823.3:622.834

УПРАВЛЕНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ПРИ КОМПЛЕКСНОМ ОСВОЕНИИ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальность 05.15.11 - "Физические процессы горного производства"

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада

Москва 1993

Работа выполнена в Институте горного дела им. А.А.Ско-чинокого.

Официальные оппоненты:

докт. техн.наук, проф. С.ЕЛирков, докт.техн.наук А.Г.Акимов, докт.техн.наук. проф. В.А.Букринский. Ведущая организация - Институт комплексного оовоения недр РАН. /У

Диосертация разоолана 1993 г. _

Защита диссертации ооотоитоя " /У" ^ 1993 г.

в , /О ч на ааоедании специатированного Совета Д.135.05.02 Института горного дела им. А.А'.Скочинокого.

О диссертацией можно оанакопиться в секретариате ученого совета института.

Отзывы в двух экземплярах орооим направлять по адреоу: 1*0004 Г г. 1юбврцн-4. Мооковекой рбл., ИГД им.А.А.Скотанокого.

Ученый оекретарь специализированного оовета, проф., докт.техн.наук

Н.Ф. Кусов

#

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

В диссертации, представленной в форме научного доклада, приводится основное содержание опубликованных в 1961-1991 гг. работ автора по результатам выполненных им научных исследований.Работа посвящена изучению проявлений горного давления при подземной разработке угольных пластов под охраняемыми объектами; научному обоснованию методов управления геопроцессаш при гармоничной планировке, горных работ, . закладке, выработок, оставлении целиков; определению параметров и технологических схем очистных выработок при расконсервации запасов в общешахтшлс и околостволыгах целиках; определении параметров и технологических схем горных работ при оставлении в шахте твердых и жидких отходов производства.

Актуальность работы. На шахтах извлекается лишь 1Ъ% балансовых запасов угля; ежегодно ведается более 50 млн. ы3 породы и откачивается 360 млн.м9 шахтных вод о минерализацией более 3 г/л, загрязняющих окружающую среду. Основная причина повреждения подрабатываемых объектов, больших потерь угля и отходов на шахтах -это возникновение геомеханических процессов, которые обусловливают необходимость оставления предохранительных целиков, приводят к обводненности выработок вследствие трещияоватости массива; вынуждают завышать площади сечений выработок в зонах концентрации горного давления. Поэтому тема диссертации, в которой рассматриваются вопросы снижения потерь угля, утилизация шахтной породы, охраны подрабатываемых объектов, актуальна.

Связь работы о планами НИР. Работа в основном выполнена в ЙГД им.А.А. Скочинекого в рамках научно-исследовательских программ Государственного комитета по пауке и технике СССР;

согласно координационному плану НИР на 1975-1980 гг. по разработке научных оонов и усовершенствованию методов рационального использования минеральных ресурсов и охраны недр; по разработке комплекса научно-технических мероприятий по максимальному предотвращению отрицательного воздействия деятельности горно-добыва-щей промышленности на геологическую среду (№ государственной регистрации 018200948819; 78047930; 80029547);

согласно плану НИР на 1981-1985 гг. по разработке комплекоа научно-технических и экономических мероприятий по охране геологической среды ( Л г.р, 80029547; 81084194; . 01830051721; 1811012000; 2011203000);

по отраслевому плану Минуглепрома СССР на 1986-1991 гг. ( № г.р. 01860085715 работа 0102016000). Автор принимал участие в атих работах в роли ответственного исполнителя.

Цель работы - научное обоснование методов управления геомеханическими процессами в подрабатываемом массиве горных пород при комплексном освоении угольных месторождений: расконсервация запасов, охрана окружающей среды, рациональное использование выработанного пространства, отработка забалансовых запасов угля.

работ» заключается в оценке влияния блочного строения и слоистости породного массива, нестационарных граничных условий, фактора времени и допустимого уровня геомеханических преобразований на методы управления геопроцессами в подрабатываемом массиве.

Проблема заключается в неизученное«! геомеханических процессов в зонах подрабатываемого массива, недоступных для непосредственного наблюдения.

Змэчи.ршададанипг

1. Исследовать влияние расположения очистных выработок в пространстве, их размеров, Форш, физико-механических свойств закладки, выощащих пород и подработанного массива на его перемещения и деформации.

2. Получить функциональные зависимости между регулируемыми параметрами подработки и показателями уровня геопроцесса.

3. Определять величину снижевия перемещений в деформаций при управлении подработанным массивом гармоничным расположением очистных выработок; закладкой выработанного пространства; оставлением сплошных, меакамерных или мешлавных целиков с учетом физико-мехаяичвеких свойств подработанного пассива в вмвщащих пласт пород, расположения в пространстве, размеров я формы очистной выработки, фактора времени.

4. Разработать технологические схемы ~я методику расчета парар метров горных работ под охраняемыми сооружениями.

5. Определить объем выработанного пространства после обрушения и уплотнения пород кровли ддя захоронения кидких отходов.

6. Разработать технологические модели шахт о природоохранными мероприятиями.

Метоя^1сслвдовашй7~Аналитически исследовано кинематическое состояние породного массива в окрестности очистной выработка 2

и подучены зависимости между параметрами очистных выработок и показателями геомеханических процессов в подработанном маооиве. Для экспериментального обоснования полученных решений использованы результаты геодезических наблюдений за перемещением и деформацией горных пород в зоне влияния очистных выработок. Кроме того, геомеханические процессы при отработке пластов угля имитировались на моделях из эквивалентных материалов.Для установления допустимого уровня геомеханических преобразований массива широко применялось обследование и паспортизация подработанных объектов о привлечением вороятностно-отатистических методов обобщения материалов. Использовались результаты производственной деятельности шахт, например, данные осушения шахтных полей, опыт вывмки утля под объектами, опыт защиты подрабатываемых объектов. Использовались метода системного анализа и ранжирования сложных иерархических структур при технологическом моделировании шахт [89].

На защиту выносятся следующие новые научные положения :

1. Подработанные горный массив угольных месторождений пред-отавяявт ообой блочную, слоистую среду в таком (специальном) предельном соотоянии.при котором потеря равновесия вызывает расслоение толщи и образование пяти семейств активных поверхностей скольжения пород; четыре из них направлены а сторону выработанного пространства, а одно - по напластованию.

2. Четыре поверхности (по одной аз каздого семейства), пересекающая четыре границы выработанного пространства, и плоскость расслоения, проходящая через линию пересечения поверхностей скольконпя, бднкайшую к выработке, образуют активные зоны перемещений пород (полной подработки, сдвигов и прогибов), находящиеся в различных напряженно-деформированных состояниях. Они взаимодействуют друг с другом на общих границах, где функции пе-

. ромещения терпят разрыв [2?3.

Положение границ этих зов.в пространстве зависит от угла залегания угольных пластов и угла внутреннего трения пород подработанного массива. Поверхности скольаеная в инженерных расчетах могу® быть заменены плоскостями.

3. Пространственно-временная траектория и вектор перемещения подработанного массива определяются последовательностью перехода расчетной точки из одной зоны в другую, продолжительностью пребывания в каждой зове, интенсивностью зонального геопроцесса.

Траектория и суммарный вектор перемещения точки последовательно складываются из их зональных составляющих [27].

4. Нормальное к напластованию перемещение пород в пределах зоны полной подработки в сторону выработанного пространства лишает распора прилегающий к зоне массив, который под давлением покрывающей толщи и собственного веса теряет равновесие и сдвигается по поверхностям скольжения в сторону выработанного пространства до тех пор, пока не восстанавливается боковой раопор пород [27].

5. Толща пород над зонами полной подработки и сдвигов вследствие нарушения равновесия прогибается в сторону выработанного пространства подобно пачке плит, защемленных по контуру, под действием собственного веса до тех пор, пока вес ее не уравновесится либо отпором нижележащего разрушенного массива, либо" собственным сопротивлением слоев изгибу [27].

6. Интенсивность геомеханичеоких процессов существенно зависит от компрессионного сжатия разрушенных пород кровли шш материала закладки, от степени заполнения ими выработанного пространства, их физико-механических свойств, толщины сдоя и торного давления.

7. Регулируемые параметры очистных выработок, определяющие режим управления геопроцессами:.

скорость перемещения очистного забоя;

опособ управления кровлей;

форма, размеры и расположение в пространстве очистной выработки относительно объекта определяются при решении обратвой задачи в движущейся системе координат, привязанной к нестационарный границам выработанного пространства с учетом физико-механических свойств массива в функции от показателей допустимого уровня геолроцееса, найденных для различных типов объектов о учетом их конструктивных и технологических особенностей.

Достоверность. Достаточная точнооть,воспроизводимость в объективность экспериментальных данных подтверждаются стандартными показателями сходимости измеренных и вычисленных величин. Дая обоснования методики прогнозирования перемещений подработанного массива использовано 830 опытов в 39 сериях наблюдений (при необходимом минумуме, равном 500 опытам). Адекватность рабочей гипотезы опыту установлена по критерия Пирсона. Дая обоснования допустимого уровня геомеханичеоких процессов в основания подрабатываемых стволов, зданий н инженерных сооружений попользовано 1225 опытов.

Количественные показатели достоверности опубликованы в работах [2?],о. 35-41 и 103-107, (29], о. 57-65 и [30],с. 42-46, 66-69, 77-35.

Новизна защищаемых положений:

1. Подработанный массив описывается блочной слоистой средой, находящейся в специальном предельном состоянии, обусловливающем образование пяти семейств активных поверхностей скольжения пород. На основе этой модели была сформулирована новая методика прогнозирования перемещений горных пород в зоне влияния очистных выработок.

2. Разработана новая горно-геометрическая схема построения геомехаяических зон активных перемещений пород в соответствии с границами выработанного пространства и эемной поверхности.

3. Предложен принципиально новый подход учета истории геопроцесса в движущейся система координат, когда расчетная точка последовательно пребывает в различном напряженно-деформированном состоянии, что позволяет построить пространственную траекторию перемещения ее во времени.

4. Предложена новая расчетная схема перемещения подработанного масоива по активным поверхностям скольжения и прогиба массива, прилегающего к эемной поверхности.

5. Установлена зависимость интенсивности геопроцесса от компрессионного сжатия разрушешшх пород непосредственной кровли или закладки.

6. Разработан новый класс геомеханических задач в области сдвижения горных пород и сформулирован метод их решения, что впервые позволяет регулировать параметры очистных выработок при комплексном освоении угольных месторождений в функции от установленных автором допустимых деформаций подрабатываемых объектов.

Научное значение работы заключается в научном обосновании и разработке методов управления геомэханическими процессами в подрабатываемом слоистом массиве горных пород; в установлении новых зависимостей между регулируемыми параметрами горных выработок и показателями интенсивности геопроцессов в областях массива, недоступных для наблюдений; в совершенствовании способов повышения полнояы извлечения угля из недр и рациональном использовании выработанного пространства, обеспечивших решение крупной научно-технической проблемы по снижению отрицательного воздействия горных работ на геологическую среду шахт и рациональному использованию недр угольных месторождений.

Практическая ценность. В диссертации даны решения прикладных задач, вытекающих из теории геомеханичеоких процессов и обеспечивающих реализацию цели работы," "- повышение полноты извлечения угля из недр в оставление в выработанном пространстве отходов производства [24,25,26,28,31,35,36].

Разработаны методы построения геомеханичеоких полей в зоне влияния очистных выработок для оптимального их расположения относительно охраняемых участков геологической среды. Предложены методы определения параметров очистных выработок по природоохранным факторам [24}.

Скорректирована методика технологического моделирования в подготовлены технологические модели шахт с комплексом мероприятий по охране геологической среды и рациональному использованию недр [30].

Разработаны рекомендации по снижению вредного влияния горных работ на геологическую среду основных угольных басоейвов России, Украины и Казахстана [28}.

Реализация; рдботр. Результаты диссертации включены в нормативно-методические документы [24,25,28,31,35,36], регламентирующие комплексное использование недр, охрану геологической среды« полноту извлечения угля из недр. Они были рассмотрены в проектных, научных и производственных организациях угольной промышленности, одобрены ученым советом ИГД им.А.А.Скочинского, утверждены, опубликованы я переданы заинтересованным организация!. Эта нормативы используются при проектировании, строительстве и шуатации шахт.

Положения диссертации, касающиеся повышения полноты извлечения угля из недр, .использованы при подготовке технологических схем очистных и подготовительных выработок й технологических нб=~ делей шахт о природоохранными мероприятиями.

Расчетная вкономическая эффективность использования выработанного пространства для.размещения высокомиверашюованных шахтных вод, размещения выработок в разгруженной зоне в повышения "Полноты извлечения угля взнедр на примере технологических Т*6де=~ лей шахт "Абакумовской-Глубокой" и "Красноармвйской-Западной"Я2 ПО "Красноармейскуголь" составляет 25 млн.руб.в .год. При расконсервации 2,3 млн.*. запасов угля, находящихся в недрах под городами в промышленными объектами, вкономичеокий вффект составил 9,2 млн.руб. Обоснование технико-8коиомичесхих показателей опубликовано в работах [30],с. 171-172 и [27],о. 125-130.

Результаты исследований использованы при проектировании горных работ на шахтах им.Ворошилова и Северный Маганак в Кузбассе в сложных горно-геологических условиях залегания пластов; на обводненных шахтах ПО "Стахановутоль"; на шахтах "Красноармейская-Западная" К I и № 2 в Донбассе; под г.Донецком;под поселком Актасс в Караганде; на шахтах ПО "Гуковуголь". Экономический аффект от внедрения технологической схемы № 5, подготовленной при участии автора [35^ на шахтах им. 50 лет Октября и им.60 лет Ленинского Комсомола ПО "Гуковуголь" составил 621 тыс.руб.

Адробадия габоты. Основные положения работы докладывались и" обсуждались на ученых советах и семинарах в ИГД им.аТа.Скочин-"окого и ШИ в период 1965-1989 гг.; на Всесоюзных научно-технических конференциях в г.Шахты в 1975 г., в ШЛ1 в 1976 г., В ЛГИ в 1982 Г. [23,45].

Публикация. Всего по теме диссертации автором опубликовано 134 научных труда. Основное содержание дисоертации изложено в 3 монографиях [27,29,30]; в 3 брошюрах [32-34]; в 6 отраслевых нормативно-методических документах [24,25,28,31,35,36] и в 38 статьях [1-22, 26; 39-43; 46-55].

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. Функция цели управления го ©механическими процессами

1.1. Основное условие безопасности подработки. Выемка полезного ископаемого под охраняемым сооружением, очевидно, возможна при соблюдении условия безопасности

Ур < Ун, <ы>

где й п уи - расчетный и допустимый показатели уровня геомеханического процесса.

Расчетный показатель (перемещение, деформация, напряжение) обусловлен горно-геологическими условия™ подработки сооружения и представляет собой результат решения прямой геомехвнической задачи прогнозирования в функции от параметров горных выработок, физико-механических свойств массива [17, 23-30].

Допустимый показатель уровня геомеханического процесса обусловлен конструктивными особенностями и функциональным назначением охраняемого сооружения и характеризует та значения перемещений, деформаций, напряжений массива, вмещавшего или несущего

подрабатываемый объект, при которых еще сохраняется его эксплуатационная надежность [1-12} .

Таким образом, выбор методов управления геомеханическим процессом, определение параметров их эффективности, содержания, условий применения сводится к решению неравенства (1.1), в левой части которого функция условий подработки, в правой - функция надежности охраняемого сооружения. Поиск этих функций - основная задача работы.

1.2. Эффективность мер охраны подрабатываемых объектов. При решении практических задач функцию цели (1.1) удобно выражать в относительных величинах. Для этого обе части неравенства достаточно разделить на величину максимального (предельного) уровня геомеханического процесса, который может быть вызван очистными работами в раочотшпс горно-геологических условиях " (базовый вариант). Пооле деления функция цели (1.1) приобретает вид

« хн , . (1.2)

где ; Кн - раочетный и нормативный коэффициенты эффективности мер охраны.

Коэффициент Кр равен отношении расчетных перемещений или де-. формаций при применении горных мероприятий по охране и без. их применения (базовый вариант подработки).

Коэффициент к„ равен отношению допустимых перемещений или деформаций к их расчетным значениям при подработке без. горных мероприятий по охране (по базовому варианту).

В такой ферме функция цели приобретает б&дьшую смысловую емкость: правая часть неравенства означает во сколько раз вредное влияние горных работ по базовому варианту превышает допустимый предел, левая - во сколько раз принятый способ подработки или способ управления геомеханическими процессами снизит уровень этого процесса. Если величина К„М,то, следовательно," базовый" вариант отработки пласта менять не требуется, ибо уровень Ун не превышает допустимого. Если Ки близок нулю, то это свидетельствует о чрезвычайной опасности подработки для сооружения, ибо допустимый уровень Уи многократно превышен при базовом варианта подработки, требуются радикальные меры охраны, которые бы многократно снизили уровень процесса.

1.3. Допустимый уровень геопроцессов. Допустимый уровень преобразования подрабатываемого масоива был установлен в СССР для гражданских зданий в 1940 г. (М.В.Коротков, И.И.Ермаков,

П.Ф.Гертнер и др.). ■ Эти допуски в дальнейшем уточнялись по мере накопления банка экспериментальных данных. В 60-80-х гг. автором были опубликованы новые значения допустимых деформаций массива горных пород для дымовых труб и водонапорных башен [2], для зданий о несущими стенами [2,3,5,10], одноэтажных каркасных зданий [5,б], коксовых батарей и самотечных трубопроводов [б].сварных трубопроводов [4], инженерных сооружений [3,6,21]. В оонову допусков били положены результаты обследования зданий и сооружений в зоне влияния горных работ. Для обоснования допустимых, дег формаций обобщен опыт подработки 26 шахтных стволов (¡30],с.25-4?); | 85 инженерных сооружений ( [30], о.76-88); 108 отсеков 35 крупнопанельных зданий ( [27], о.106-107); 689 кирпичных и блочных зданий ( [27], 0. 103-106); 6 трубопроводов ( [27], с.89-96); цехов Горловского, Первомайского и Кадиевского машиностроительных заводов { [27],с.76,87,68). Подученные значащи допустимых деформаций [2-6] были включены в указания [24,25].

Итак, в настоящее время для основных типов зданий и сооружений получены показатели допустимого уровня геомеханичеокого процесса Ум, входящие в функцию цели. Они достаточно надежно апробированы и разрешены для использования при проектировании горных работ под охраняемыми объектами.

Метода управления геолроцессама характеризуются расчетным показателем ур или величиной уменьшения деформаций при применении горных мер охраны подрабатываемых объектов. Ниже рассмотрены отя методы управления гзопроцессами и их эффективность.

2. Гармоничное управление гоопроцвсса;.«!

2.1. Условие безопасности. Проектирование гармоничной отработки запасов заключается в определении таких размеров очистных выработок а такого положения их границ относительно объекта охраны,чтобы суммарные деформации или перемещения массива в районе охраняемого объекта были как можно меньше. ' Параметры гармо-дичной отработки находятся из очевидного условия Л,?. Ур1, Если Обв части его разделить иа получим:

где ун - допустимое перемещение или деформация; ур1 - перемещения шш деформации подработанной тощи в районе охраняемого объекта от влияния 1-й очистной выработки; п- - количество очист-

ных выработок," обычно равное 2, реже 3; \)f - перемещение или деформация при базисном варианте отработки; Kf, Ки - расчетный и нормативный коэффициенты эффективности гармоничной подработки.

Гармоничное управление геопроцессами требуется при отработке запасов угля в пределах околоствольных целиков,где сосредоточено около балансовых запасов шахт. Запасы угля в пределах около-стволышх целиков подготавливаются выработками, проходимыми" в районе сопряжения ствола с плаотом широким ходом, и гармонично отрабатываются одновременно несколькими лавами.

Сохранение вертикальности оси ствола при бесцеликовой технологии разработка пологах тонких пластов обеспечивается при таком-формировании выработанной площади, при котором ее ось симметрии совпадает о ось» ствола или о ее проекцией на пласт. При атом направление отработки выемочных полей на обводненных месторождениях должно быть от Границ целика к стволу, а на необводненных -от ствола к границам. *

Сохранение герметичности ствола. в месте сопряжения его с пластом обеспечивается компенсатором шахтной крепи о податливостью, равной вынимаемой мощности пласта.

2. Состояние изученности. Методы гармоничной отработки око-доствольных целиков (К.Леман, Л.Шоланд» Е.Гремлер, П.Штодт, ' В.Лофлер, Ф.Мор, Г.Бусс, М.Борецкий, В.Денгель, В.Римарский) созданы и реализованы в Германии, Польше, Чехословакии для условий рура,Силеэви и Карвинского бассейна и не применяются в наших бассейнах Из-за отсутствия надежных методов прогноза сдвижений в подрабатываемом массиве. Метод гармоничного управления геопро-цеосом возможен при умении построить объемное поле деформаций и перемещений в векторной форме на любой момент времени при заданном расположении границ выработанного пространства. Известныег методы прогноза деформаций и перемещений горных пород при подземной разработке угольных пластов (Авершин.С.Г., Акимов А.Г., Борисов A.A., Земисев В.Н., Иофио М.А., Колбенков С.П., Короткое М.Б., Кузнецов Г.Н., Кузнецов С.Т., Лисица И. Г., Медян-цев А.Н., Ыуллер P.A., Петухов U.A., Петухов И.Ы., Попов И.И., Фисенко Г.Л.) не могут быть использованы для этой цели,поскольку не учитывают историю процесса во времени и пространстве. Решения даются для плоской задачи при фиксированном положении в пространстве границ выработок обычно лишь на момент затухания процеоса. Наиболее распространены ашшрическае метода прогноза сдвижевий земной поверхности, имеющие ограниченную область применения в не

учитывающие механику геопроцесоа в толще. Эти метода успешно используются для решения других упрощенных задач охраны:застройка подрабатываемых территорий, построение предохранительных целиков, определение безопасной глубины подработки объектов, проектирование конструктивных мероприятий.

Реализация метода гармоничного управления гэопроцессами возможна лишь в том случае, если задача прогнозирования решается в пространстве н во времени. Последовательность решения этой задачи заключается в следующем: выбирается оптимальное расположение первой очистной выработки и строится поле перемещений и деформаций, вызванное ею; решая обратную задачу, подбирают такую планировку и параметры второй выработки,деформации и перемещения массива от которой обеспечили бы снижение уровня геопроцесса от первой в'тсэботки.

Автор решал объоыкуп задачу прогнозирования перемещений подработанного массива в движущейся системе координат пря нестационарных границах выработанного пространства о учетом скорости их перемещения, дискретности среды, олоистости, способа управления кровлей, физико-механических свойств вмещающих пласт пород, непосредственной кровли и вышележащей толщи.

2.3. Закономерности геопроцесоа. В результате установлены следувдиа закономерности геопроцесса в подрабатываемом массиве [17,24,27].

1. В породном массиве при подработке образуются четыре зоннг А - разрыхления, Б - полной подработки, В - сдвигов, Г - прогибов, качественно отличагащиеся своим налряженно-дефоршровашшм состоянием. Геометрические, статические а кинематические параметры этих зоя связаны обоснованными в работе зависимостями о горно-геологическими условиями и геометрическими и технологическими параметрами очистных выработок (рис. I).

Общий характер геомеханичеоких процессов в толще обусловлен взаимодействием этих зон породного массива.

2. Породный массив над разрушенным слоем непосредственной кровла теряет равновесие и упорядочение с сохранением слоистой структуры перемещается под действием собственного веса по нормали к напластованию в сторону выработки на величину сжатия слоя'А и толщину щели мевдг слоем и породным массивом'до тех пор, пока давление массива не уравновесится сопротивлением олоя А ожатаа. Зона Б в кровле имеет форму многогранника. Основанием его является выработанный пласт, боковыми гранями, параллельными

по I-Г ц в

Fio. I. Характер вые зови подработанвого массива горних пород:

■ • мрпхиыш! маре* водрабогмю! толщ ирвот О - paspes вохработавпо! тица оа еровпрапв Ьмсжоотш.во;

ароопрвям :

------ -------

_______ _ aoeotamó

to su в do --------

Ешиютоваях» vepea to«у О; ■ paspas» толщ во ишигатоам] BE - врялоугоивЬв уиткц torn В в» вроотарапв, шел» и

шаотв еоотввтотвевао; ВИ, ВЗ - Т]----1—---------" -

а восотанав одета ооотватотм«» .

доляо» водраболи, еяааго», яролзоя _ _____________________ _________

I - смог; 2 - «емкая иовврхяоеп; 3 - вотаа очаотвов штвбопа: 4 - мрх-

--------- B¡ 5 - rpírc---------- - ' - " "

----ItOtiÍBW

1 сбаабм

■ тмтголшм. Павла to su В Do помято «Й: 1, Б, В, г а К - аош рвзрыхавти, orsíoa ■ опорного дешевая сюгаететмпю, Ii а - потаа йчготво» «npeSorm¡ 4 - мрх-рветпт »ови mmol вадрввот*«; 6-8, II - трамща •оа В", Б, Г. К еоотмтотмяао; 9 - квгтралшая оо> «ende toan Г;10 -мое ««епорядочвого обргшапа вевоорадвтааааоа хромааз - грагаяя мпям обмол

направлению движения лавы, - трапеции, а боковыми гранями вдоль очистного забоя - треугольники. Породный массив под слоем А упруго восстанавливается в пределах разгруженной зоны Б. Зона Б в почве - опрокинутый многогранник, симметричный верхнему, на общем основании. Интенсивность и характер кинематических гравитационных процессов зависит от типа кровли.При I и П типах кровли, по классификации ВУГИ, перемещения пород в зоне Б равны произведению вынимаемой мощности пласта на коэффициент относительного оседания, меньший единицы. Он является параболической функцией от примерно двойного отношения давления основной кровли к длительной прочности пород непосредственной кровли на одноосное сжатие. При Ш типе кровли, когда отсутствует полное подбучи-ванив' эависшего трудиообрушаемого слоя породой разрушенной непосредственной кровли, перемещения массива в зоне Б равны вынимаемой мощности пласта, уменьшокиой на половину разности толщины непосредственной кровли и произволения этой толщины на коэффициент относительного оседания. В этом случае при прочих равных условиях перемещения пород в зоне Б больше по величине, чем при X и П типах кровли. При плавном опускании кровли перемещения пород зоны Б равны вынимаемой мощности, уменьшенной на величину упругого восстановления пород почвы в зоне разгрузки. В кровле,на границе зоны Б,образуются водопроводящие трещины.

3. Переместившийся в зоне 3 массив лишает отпора окружающие породы. Прочность их в условиях одноосного саатия резко падает; под давлением покрыващей толщи (зона Г, рис.1) я собственного веса ослабленный массив (зона В) выдавливается, заполняя область разуплотнения массива на общей границе зон Б и В. Важно, что объем вцдзвлешшх пород зоны В равен объему мульда оседания по-крыващей толщи (выполняющей роль матрицы штампа) .который меньше объема пород зоны Б, заполнивших выработанное пространство (зону А). Вследствие этого (если пренебречь перемещениями за очет упругих деформаций массива, которые малы по сравнению с перемещения;® пра обрушении) общая граница зон Б и В разгружена, и, следовательно, давление пород в зоне Б обусловлено лишь собственным ах веоом. Это и обусловливает эффект разгрузки вмещающего выработанный плаот массива и перегрузку прилегающей зоны за счет зависших под зоной Б пород,

4. Боковая поверхность зоны одвигов пересекает кромку пласта под тема яв углами к напластованию, что и поверхность зоны разгрузки у противоположной границы выработанного пространства.

Сверху зону сдвигов ограничивает плоскость напластования, проходящая через вершину зоны разгрузки. Вектор сдвига нормален к ближайшей грани выработанного пространства и лежит в плоскости, параллельной ближайшей границе зоны В. Величина перемещения -Функция прогиба покрывающей толщи (матрицы). Породной массив сдвигается без нарушения сплошности (течет).

5. Перекрывающая область разрушенных пород толща (зона Г) прогибается под собственным весом подобно упругой плите на пластическом основании,заземленной по контуру и имеющей ограничитель максимального прогиба. До тех пор, пока ее прогиб не превыоил максимального перемещения обрушатацихоя пород, последние разгружены. Боковой границей зоны Г является нормальная к нейтральной плоскости плиты цилиндрическая поверхность,в качестве образующей которой служит верхняя граница-зоны сдвигов. Перемещения и деформации пород зоны Г - известные функции прогиба упругой плиты о заданными геометрическими и статическими параметрами.

6. Выделяются две стадии процесса - формирование геомеханических зон и стационарная. Первая стадия в условиях пологах пластов заканчивается " по мере отхода очистного забоя от разрезной печи на расстояние, равное длине лавы. В этот период по мере увеличения выработанного пространства растет нормальная высота зон Б и В, утоньшается покрывающая толща я увеличивается ее прогиб, растет давление обрушенных пород на слой А,и, следовательно, увеличивается его сжатие и перемещение слоев. Геомеханические процессы активны в пределах всей подработанной области. В конце . этой стадии зона Б приобретает форму пирамиды с примерно квадратным основанием. Вся же область активных геомеханических процессов имеет форму опрокинутой четырехгранной усеченной пирамиды, меньшее основание которой совмещено о выработанным пространством, а большее - о покрывающей толщей. Боковые грани этой пирамиды

...сопрягаются конусообразной поверхностью с эллипсоидальной правляющей. Эта "активная" пирамида " и далее сопровождает движущийся очистной вабой, оставляя за собой область затухающих релаксационных процессов, кинематические параметры которой на порядок меньше, чем в области активных гравитационных процессов. Зона Б во второй стадии приобретает вид клина, нормальная высота и ширина которого неизменны, а длина растет циклами по мере посадки ооновной кровли ._К_каждому ребру клина обрушения примыкают^

"вдиньяТострием вниз) вон сдвигов,а сверяете система перекрыта зоной Г в форме вытянутой плиты с ияменяадейся длиной и постоян-

ними шириной и толщиной. Прогиб ее за пределами активной области обусловлен лишь ее шириной и толщиной в сечении, параллельном линии очистного забоя.

7. Интенсивность протекания геомеханических процессов разделяется на активную и затухающую стадии. Активная стадия сопряжена с процессом упорядоченного обрушения слоев и уплотнения слоя А (разрушенной непосредственной кровли или закладки) под возрастающим во времени давлением оояовной кровли. Этот процесс управляется. Продолжительность активной стадии, в период которой геомеханические процессы, вызванные отработкой пологих пластов, в основном заканчиваются, равна ориентировочно частному от деления средней длани очистного забоя на его скорость.

Затухающая стадия обусловлена ползучестью пород слоя А при постоянном во времени давлении основной кровли. Процесс этот неуправляем, длится многие месяцы, а иногда и годы, но влияние его на технологию горных работ незначительно. Процесс во временя затухает по экспоненте, асимптотически приближаясь к нулю.

2.4. Основные результаты. Метод решения задачи в векторной форме позволил впервые [2?] получить объемную траекторию перемещений любой точки подработанного массива с учетом фактора времени и создать научные предпосылки для построения полей перемещений и деформаций,а также-гармоничной планировки горных выработок с таким расчетом, чтобы наложение гоопояей в охраняемой зоне массива снизило уровень геопроцесса.

В аналитической форме найдены зависимости между параметрами очистных выработок и перемещениями подрабатываемого массива и сформулирована методика прогнозирования геомеханических преобразований^], с. 32-94). Эти зависимости проверены на 833 опытах в промышленных а лабораторных условиях па моделях из эквивалентных материалов ([27], с. 32-44 и 74-82), ( [29], о.57-65). Экспериментальные исследования подтвердили обоснованность и достаточную для решения инженерных задач точность расчетных формул перемещений и деформаций массива ([27], о. 84-85).

2.5. Эффективность гармоничного управления гоопроцассом. Она приведена в таблице [5в] , где а - угол залегания пласта,град; а, 8, с - параметры, определяемые по формулам:

р. => сЦ (45° + 0.5JJ - 0,5«);

S = ctg (45° + 0,5j> + 0,5а);

С = ctg (45° + D,5ß); jэ - Сиднее значение угла внутреннего трения подработанной толщи

Таблица

Метод управления геопроцессом Эффект метода , Количественный показатель Эффекта Кр по формуле(2.1)

Широким фронтом из нескольких очистных выработок Уменыаение наклонов вдоль очистного фронта ,. 1.3 с .

Уменьшение растяжений вдоль очистного фронта ' О.В(а*1)гЦл*

Гармоничный, с отработкой двух лав в направлении: простирания пласта в соответствии со схемой на рис. 2,а { вкрест простирания по схемам . на рис. 2«б,в,г? ; Компенсация горизонтальных перемещений по падению пласта

Компенсация наклонов по падению пласта т^Щ + и,)

Компенсация горизонтальных перемещений по простиранию тгбсж^г'ЬНЬ+ЧгС)

Компенсация наклонов яо простиранию пласта

горных пород, град; т1г мощность пласта,' отрабатываемого лавой I и 2, м; Н1г - параметр', показанный на рис. 2; -предел прочности пород непосредственной кровли на сжатие в I и 2 очистных выработках, Па; 0,г=лйп { 0и , г ; ) г] - высота зоны полной подработки в I и 2 очистных забоях, определяемая как минимум из двух значений г (Р00- в), м:

с,>2=се9(45в->-0,5д2); (и1 г , 11, г - длина I и 2-го очистного забоя, м; с, г- параметр С I и 2 выработки, зависящий от утла внутреннего трения подработанной толщи р, г над этими выработками; и)г Ь, г - расстояния от границы выработанного пространства до'нормальной проекции на пласт точки, где планируется компенсация деформаций, поясняемые на рио. 2.. ■

а - по простоев» а одном таете; в - по прост«равкп в дагх пластах; в - юсреот простгазяет в одюои пласте! г - вкрвот птюстярсшвя в двух шгастах; .3 - плвот угля; 4 - вминая поввриооть, 5 - охрамшЯ обмхт, 6 - выработаивов проотреготво

Эффективность гармоничного управления геопроцессом тем вше, чем меньше величина кр. В результате решения неравенства(2.1)находят координаты границ второй очистной выработки и ее размеры при заданном положении и размерах первой выработки.

В работах [24, 27] даны решения типовых задач по определению параметров очистных выработок при гармоничном управлении геопроцессами.

Составлены технологические схемы гармоничной подработки объектов: в бремсберговом поле тремя одновременно работающими лавами по простиранию; четырьмя одновременно отрабатываемыми лавами по восстанию; диагональным фронтом из четырех лав по простиранию; из двух длинных и одной опережающей короткой лавы по простиранию и по восстанию; встречно-расходящимися фронтами в околоствольном целике, движущимися навстречу друг другу; четырьмя встречно-расходящимися лавами под вытянутыми объектами ( [31], с. 143-186).

3. ЗАКЛАДКА ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА

3.1. Условие безопасности подработки. При управлении геопроцессами полной закладкой условия (1.1)и(1.2) приобретают вид

гцн либо кр,« , где , У1Я - расчетная и ' допустимая осадка подработанного массива; К/>1 - расчетная эффективность управления кровлей закладкой относительно управления полным обрушением.

3.2. Изученность вопроса. Применение закладки выработанного пространства (В.В.Добровольский, М.И.Бесков, В.Е.Куков, А.Е.Сыол-днрев, В.И.Симонов, Ф.Ф.Шаламберидзе, Г.П.Дмитриев, Э.И.Гайко, Е.К.Решетнев и др.) не нашло широкого применения в угольной промышленности из-за высокой трудоемкости технологии и отсутствия экономических стимулов у производственников,хотя природоохранный эффект закладки бесспорен.

Известные нормативные методы определения эффективности закладки ВШШ базируются на сравнении приведенной мощности с вынимаемой мощностью пласта. При атом не учитываются размеры и залегание внработок, свойства массива и вмещающих пласт пород. Автор исследовал влияние этих факторов при управлении кровлей закладкой [27].

3.3. Еакономерности гоопроцессов в зоне полной подработки при управлении кровлоЛ закладкой и полнил* обруиением. При про-Ы'донип очистной вн;пботки с полным обрушением непосредствонная

кровля пласта беспорядочно обрушается и разрыхляется, образуя воряотый крупнообломочный олой породы, мощность которого зависит от типа кровли. При управлении кровлей закладкой пористый слой создается искусственно. При I и П типах кровель, по классификации ВУГИ, происходит почти полное подшучивание основной кровли, для Ш - частичное. Под давлением <5У основной кровли этот слой сжимается на величину .определяя тем" самым кинематику процесса всей вышележащей толщи. Компрессионное сжатие слоя подчиняется следующим граничным условиям:

при <?у = 0__= 0; при —- е имеем -0, ду —«- Д уп ,

где е -длительная прорость породы"или зерен закладочного массива на сжатие; ДУ(? - предельное сжатие слоя.

При управлении кровлей полным обрушением дУЛ = Кк (п~1) , при закладке дт= ггтл ? , где Нк - мощность слоя непосредственной кровли; п. - коэффициент ее разрыхления; /л?, п3 - мощность слоя закладки и коэффициент ее разрыхления. Этим граничным условиям отвечает следующее уравнение:

(¿Л,

>2

решение которого имеет вид ду= <?у -0,5ёу + г1 при Лу=Лу/г? < I ; ё^гСу в'.' <5 1, где ¿7~,"и~1Г1 - постоянные" интегрирования, опрёде-

ляемые из граничных условий. После элементарных преобразований получим компрессионную зависимость сжатия слоя обрушенных пород: для I и П типов кровель ду= 9?(т-Лс) ; для Ш типа ду = 1гк(п-1) , где (¡0=[2бу о''- е'г ] -$1," ц0 - коэффициент сжатия слоя; т - мощность пласта; - конвергенция за счет упругого восстановления вмещающих пород.Аналогично для закладки

Нормальные"пёрёмёщения подрабатываемого массива_в зоне полной

подработки определяются по формулам: "при управлепйикрошГой Г'

полны*) обрушением = кк(п~1)^а + йК+ Д , (3.1)

полной закладкой = дк++ +Д, , (3.2)

где ЛК , &„ - упругое восстановление пород кровли и почвы соответ-стввнно, зависящее от размеров, наклона выработки,упругих характеристик массива и положения расчетного сечения; д, - неполнота закладки; ь = \ - &к + т - Ьк (п - 1} - за&ор (щель) между обрушившимся слоем непосредственной кровли и зависшей основной кровлей;, цд - коэффициент относительного оседания основной кровли при ее управлении обрушением и закладкой. Горное давление на го-

ризостальную площадку приравнено весу вертикального столба массива от кровли пласта до границы зоны полной подработки с площадью сечения, равной единице. Высота этого столба в расчетной точке функционально связана с размерами, наклоном очистной выработки, средним углом внутреннего трения массива и положением расчетной точки. В работах [24, 27] уравнения (3.1) и (3.2) решены : относительно регулируемых и геологических параметров выработки, координат расчетной точки и физико-механических свойств массива.

В работе [31] автором приведены значения уменьшения осадки кровли для различных типов закладочных материалов в широком диапазоне горно-геологических условий и технологий горных работ,

4. Управление геопроцессами с помощью целиков угля

4.1. Состояние вопроса. Управление геопроцессами с помощью целиков угля - наиболее радикальный метод, широко применяющийся на практике, но сопряженный с большими потерями. Сплошные целики обеспечивают любой уровень безопасности объектов. Границы целика строят таким образом, чтобы условие (1.1) соблюдалось при заданных значениях допустимого показателя уровня геопроцесса. Межкамерные целики обеспечивают устойчивость подрабатываемого массива, а межлавные - снижают уровень геопроцесса за очет сокращения размеров выработанного пространства. _

В настоящее время решены задачи по определению размаров',"' формы, расположению в недрах сплошных предохранительных целиков для различных типов охраняемых объектов и в разных горно-геологических условиях (С.Г.Авершик, А.Г.Акимов, М.А.Йофио, В.Н.Земи-оев, Д.А.Казаковский, М.В.Коротков, С.П.Колбекков, А.Н.Медянцев, И.В.Хохлов и др.). Основная задача управления массива целиками -поиск безопасного расположения границы выработки относительно охраняемого объекта. Известные решения атой задачи базируются на предположении о линейной граница опасной зоны подработки от очистного забоя до охраняемого контура массива. Автор уточнил решение задачи, построив физические границы геомеханичеоких зон ь подрабатываемом массиве [27].

4.2. Границы подработанного массива. Горный массив больших размеров, измеряемый десятками метров, моделируется сыпучей слоистой средой блокового строения со слабыми связями между достаточно жесткими и прочными элементами плотной упаковки, размер 20

которых не менее чем на два порядка " меньше размеров массива. Сыпучая среда, имитирующая трещиноватый горный массив, обладает следующими свойотвами: прочность пород на растяжение по отношению к напряжениям сжатия мала настолько, что при приближенных вычислениях этим отношением можно пренебречь; деформации среды только сдвиговые, ее объемные деформации незначительны; коэффициент плотности укладки структурных элементов близок 0,990-0,999.

Прочность такой среды в окрестности очистной выработки проф; Г.Л.Фисенко предложил выражать в виде

2[Ст+Л(С-Ст)]с^£, где С; Ст - сцепление породы соответственно в образце и по трещинам; £ = 45° - 0,5р - угол между направлением главного максимального напряжения в плоскостью скольжения в сыпучей среде; Л я [ 1 + ае 1п (1С /1 ) ^ - коэффициент структурного ослабления массива; ае - коэффициент, возрастающий от I до 7 о увеличением предела прочности образцов пород на сжатие от I-Ю3 до 1-Ю5 кПа;

- отношение размера массива к размеру структурного элемента; р - угол внутреннего трения пород.

Подотавим в формулу прочности массива типичные значения характеристик породного массива:р= 25-35°; С * 50 кПа; Ст « 20 МПа. Из расчета слёДувт7 что на глубине более 400...600 м горный массив, сложенный даже очень прочными породами, находится в окрестности очистных выработок в предельном напряженном состоянии.

Основная форма геомеханических преобразований массива в предельном состоянии - сдвиги по поверхностям скольжения, положение которых в пространстве находится методами статики сыпучей среды.

Уравнения предельного равновесия подработанного ~ слоистого масоива [27] :

Г^С + бдЬдр - обычное предельное состояние, + — специальное предельное состояние,

где ба - нормальные и касательные напряжения по пло-

щадкам сдвига, составляющим с направлением максимального главного напряжения б, утлы £| = ± (45°-0,5р); <ол > <ап,]>, С>С - напряжения, угол внутреннего трения, сцепление массива то и по напластованию (черточка означает принадлежность параметра к контакту слоев).

Линии (плоскости) скольжения делятся на пассивные и активные, по последним происходят сдвига пород. Активными линиями могут быть лишь те, которые пересекаются с выработанным пространством

или с зоной полной подработки, где породы разрыхлены и способны сжиматься. Используя этот принцип, можно найти границы области перемещений. Автор решил эту задачу [27] при некоторых обоснованных упрощениях, обусловленных неточностью исходных данных: кривые линии скольжения заменены на параллельные прямые, направление напряжения б, у кромки пласта принято по нормали к напластованию, в зоне полной подработки - по вертикали. Средние углы наклона I и 2-го семейств линий (плоскости) скольжения к напластованию в толще слоев мощностью $ равно <р12 = 8 + ес , гд£ ос -наклон пласта (слоев пород) к горизонту, £= 45° + 0,5р, ф - нормальная : к напластованию максимальная высота зоны полной подработки Б (рис. I); ц>иг - углы полных сдвижений.

В толще пород, перекрывающей зону Б, массив деформируется подобно прогибу тяжелой плиты с защемленным контуром, поэтому границы подработанной зоны здесь направлены по нормали к нейтральной плоскости изгиба под углом 0,5а к горизонту. На основе таких допущений найдено [27] положение в пространстве границ подработанного массива, где происходят перемещения пород в сторону выработанного пространства.

4.3. Параметры очистных выработок при частичной отработке целиков. Задача по определению оптимальных размеров очистных выработок по фактору безопасной осадки массива решена [27]в следующей постановке.Условие безопасной подработки (1.2) представим

в виде Кр в ц« Кн , где ^; ?? - осадка массива расчетная

и предельно возможная в данных горно-гоологических условиях. Используя найденные закономерности геопроцесса (см. п. 2.3), получены следующие результаты.

Размеры очистных выработок Еи и разделенных опорными целиками, определяются по формулам;

1и40,ВКн(а + 6}Н$есл; г,бкнс Шессс,

где £и ; - размеры выработки, отрабатываемой соответственно по или вкрест простирания, м; Н - глубина выработки, м; а , $ , е, сс - обозначения, поясняемые в п. 2.4.

При камерных системах с обрушением У • 0 заклад-

кой - Ся£ + » гда ; - ширина камеры и межкамзр-

кого целика; - пористость закладочного массива при укладке в качвру.

5. Задачи рационального использования недр

В диссертации даны решения задач по захоронению в шахте высокоминерализованных вод и породы, по отработке сильно нарушенных и сбликенных пластов [29, 30].

5.1. Оставление жидких отходов в выработанном пространстве. Идея о. возможности захоронения жидких отходов в шахтах не нова (А.Е.Видулин, Н.Н.Игнатьев, В.Г.Гейер, Н.Н.Чернавкин), но реализация ее невозможна без умения рассчитывать'объем резервуара для жидкости в выработанном пласте. В п.3.3 исследованы закономерности уплотнения обрушенных пород непосредственной кровли, свидетельствующие о высокой пористости разрушенного породного слоя в выработанном пространстве " Bi определенных горно-геологических условиях, и о возможности регулировать степень уплотнения этого слоя размерами выработки.

Условие безопасности от заполнения шахты: V > V., где V„ -

* п. 1

объем воды; V - объем резервуара, определяемый расчетом V= V;,

i.f

п - число расчетных точек, равномерно распределенных в породном коллектора шириной f , на разрезе вкрест простирания; Vt * S£ (т. - - объем пустот на ¿-м участке; - нормальное перемещение подрабатываемого массива на ¿-м участке.определяемое по формуле (з. I); Sj - площадь выработанного пространства] на i-м участке; L - длина породного коллектора по простиранию пласта; CLi - ширина 1-го расчетного участка породного коллектора.

Расчеты по этой формуле позволили получить величину V в различных горно-геологических условиях [22]. Например, при £ ^ Н

V = Lim

т 2m£cosoc

гдеН,«- глубина и угол падения выработки; т - вынимаемая мощ-ностГпласта; ^ - максимум нормального перемещения ц - 2т^Не~,\ $ - средний объемный вое массива в зоне полной подработЖ;~ 3 - длительная прочность на одноосное_ сжатие..пород непосредственной кровли. Параметры I , I ,Н регулируются.

Решение этой задачи было использовано при проектировании шахты "Красноармейская-Западная 1Ь 2* в Донбассе, где ожидается дебит до 270 м3/ч высокоминералпзоваяной воды (100 г/л). 3 целях захоронения воды был принят восходящий порядок отработка шахтного поля. В первую очередь полностью отрабатывается ярус вдоль нижней технической границы от девой до правой границ шахтного

поля. Выработанное .пространство выполняет роль естественного подземного резервуара для хранения вод из соседнего верхнего яруса. В работе [27] приводятся схемы вскрытия, подготовки и отработки этого участка о захоронением шахтных вод в объеме 2,4 млн.т в год.

5.2. Оставление породы в шахте. Автором дано геомехаяичеокое обоснование параметров, технологические схемы горных работ и технологические модели шахт о оставлением породы в недрах при разработке тонких пологих пластов на большой глубине [13-16,19,22,30]. Определены оптимальные размеры породных полос, степень их ожатия под действием горного давления, степень разгрузки подготовительных выработок при различном расположении бутовых полос в выработанном пространстве, технология укладки породы, оптимальная планировка выработок.

5.3. Охрана недр при разработке сильнонаруиенныг месторождений угля [25]. На примере Сахалинского месторождения разработаны основные направления по совершенствованию технологии добычи сильнонарушенных пластов, определены параметры вскрытия и подготовки пластов, предложен метод выбора системы разработки по по-' казателю нарушенности Кд * 1/S , где I - суммарная протяженность всех дизъюнктивных нарушений в пределах выемочного участка, ы; S - площадь участка, га.

Доказана перспективность охем вскрытия и подготовки шахтных полей правильной сеткой основных выработок; применения сиотем разработок с коротким очистным забоем и универсальным комплексом оборудования, пригодным как для подготовительных, так и для очистных выработок в пределах выемочных полей неправильной формы; разворота механизированных комплексов без демонтажа оборудования.

5.4. Охрана подрабатываемых пластов угля от нарушений [27]. Разработку сближенных пластов нужно производить о опережением очистных забоев в нижнем пласте по простиранию па величину о, = с6 ; по воостанию - tq<x)co$cc.; подпадению- ; а1 - t(tgci-a)coscc-, где t&yjzr - нормальное расстояние мэаду пластами; т,а,6,с,ос- обозначения,приведенные выше (пп.2,4, 3.3).

5.5. Охрана пластов угля от затопления [27]. При ведении горних работ под водными объектами важно оохранить опдошаооть стоя породы, являющегося водоупором для обводненной зоны. Выше (п.2.3) было показано, что в зоне полной подработка (Б) массив разрушается о образованней трещин разлома и расслоения. Таким образом,основное уоловие безопасности - это выбор такого размера

выработки (, при котором водоупор лежал бы за пределами зоны Б о высотой $*1/(а + 6) (обозначения - в п.2.5).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ч

В опубликованных трудах автора дано теоретическое обобщение и решение крупной научной проблемы управления геомеханическими процессами при комплексном освоении угольных месторождений, важность которой для народного хозяйства обусловлена открывающейся возможностью управлять этими процессами при расконсервации запасов угля в общешахтных целиках.

. В результате проведенных исследований получены следующие научные результаты:

1. Установлены нрвне кинематические закономерности геомеханических преобразований подработанного слоистого массива горных пород (от почвы пласта до земной поверхности) в движущейся системе координат при переменных во времени и пространстве граничных условиях на оонове многозональной дискретной взаимодействующей срады, вюшчаацей в себя:

зону беспорядочно обрушенных блоков непосредственной кровли, образующих пористый слой, сжатие которого происходит под давлением покрывающих его слоев;

зону полной подработки, где нарушенные слои пород, лишенные распора вынутого угольного пласта, упорядоченно, сохраняя слоистую структуру,смещаются в выработанное пространство и пригрукзют слой рззрушешшх пород непосредственной кровли;

зону прогибов, сформированную верхней неразрушенной частью породного массива у земной поверхности, напряиэнгю-дёформирова!!-ноо состояние которой моделируется упругой плитой на пластическом основании с ограничителем прогиба, защемленной по контуру и прогибающейся под собственной тяжестью;

зону сдвигов, объединяющую находящуюся в предельно сжатом состоянии область пород вокруг разгруженной зоны, пластично ввдааживаемнх в сторону выработанного пространства прогибающейся вышележащей толщей;

зону опорного давления, концентрация которого на целик угля возрастает в несколько раз.

2. Геометрические, силовне и кинематические параметры геомеханических эоа циклично изменяются по мере движения очистного забоя. Рассматриваемые процессы управляемы, поскольку их интен-

сивность и количественный уровень функционально связаны с параметрами очистных работ, поддающихся регулированию.

3. Установлено, что управление подрабатываемым массивом включает операции по планировке горных работ и выбору технологических параметров очистных выработок,при реализации которых уровень геомеханических преобразований (напряжений,деформаций »перемещений) в охраняемой зоне массива пород или земной поверхности не превышал бы допустимого. Эти операции в аналитическом виде представляют решение обратной задачи прогнозирования напряженно-деформированного состояния подработанного массива.

Сформулированы технические условия планировки и разработки тонких и средней мощности пологих пластов под объектами ва земной поверхности и у шахтных стволов.

Основные практические результаты:

1. Сформулирована основная концепция технологии расконсервации запасов угля из общешахтных предохранительных целиков. Она включена в новую редакцию "Правил технической эксплуатации угольных и сланцевых шахт" (1989 г.).

2. Разработаны нормативно-методические документы [24,25,28], регламентирующие порядок проектирования горных работ под охраняемыми объектами на угольных шахтах без оставления общешахтных целиков.

3. Разработаны технологические модели шахт для бесцеликовой разработки свиты пологих тонких и средней мощности пластов с оставлением породы в шахте; для бесцеликовой разработки свиты пологих пластов средней мощности о оставлением в недрах породы и высокоминерализованной воды; для разработки свиты пологих пластов средней мощности под охраняемыми объектами [28, 29], в которых не предусматривается оставление околоствольных целиков.

4. Разработаны типовые технологические схемы горных работ ас)д охраняемыми объектами на аемной поверхности и шахтными стволами [31], в сильаонарушешшх пластах [25, 35]; с оставлением порода в шахте [31, 35].

Ь. Разработаны и реализованы проекты расконсервации запасов угля в объеме 2,3 млн.т под ограняемыми объектами Донбасса [27].

6. Разработаны рекомендации по снижению отрицательного воздействия горных работ на геологическую среду: Восточного и Западного Донбасса, Донацко-Макоевского, Красноармейского и Центрального районов Донбасса; Прокопьевско-Киселевского, Ленинского в Садовского районов Кузбасса; Карагандинского в Подмосковного бассейнов [2б]. 26

Эти результаты способствовали повышению безопасности горных работ под охраняемыми объектами .сокращению потерь угля в целиках; рациональному использованию природных ресурсов; экономический эффект ооставил 9,9 млн.руб.

Основные положения диссертации в форме научного доклада опубликованы в следующих работах автора:

1. Выравнивание сооружений, находящихся в зоне влияния горных выработок. - В кн.: Промышленное строительство и инженерные сооружения. - 1961. - Вып. 8. - Киев, СтроЙиздат, 1961. -С.22-27.

2. Построение границ предохранительных целиков_угля по допускаемым деформациям земной поверхности. - В кн.: Проектирование и строительство угольных предприятий. - 1964. - Вып. 70. -М.: Недра. - С. 47-51.

8. Условия подработки сооружений, построенных без конструктивных мероприятий. - В кн.: Надшахтное строительство. - 1965. -Вып. 5, -М.! Недра. - С. 151-160.

4. Условия выемки угля под трубопроводами. - В кн.: Проектирование и строительство угольных, предприятий. - 1965. - Вып. 5. - Ы.: Недра. - С. 103-106.

5. Условия выемки угля под зданиями. - В кн.: Проектирование я строительство угольных предприятий, - 1965. - Вып. 4. - М,: Недра. - С. 68-73.

6. Допустимые условия подработки зданий и сооружений в Донбассе // Шахтное строительство. - 1968. - № 2. - С. 14-18.

7. Опыт подработки экспериментального крупнопанельного дома серна 1-464А // Жилищное строительство. - 1969. - № 3. - С. 14-16.

8. Определение расстояний между компенсаторами вподрабати-ваемнх трубопроводах //Строительство трубопроводов. - 1970. -Л I. - С. 23-25.

■ 9. Строительство на подрабатываемых территориях //Нилшцноо строительство. - 1971. - № 3. - С. 30-31.

10. Условия сохранения подрабатываемых кшшх зданий, востро*, сйшх боэ конструктивных мероприятий по защите //Известия вузов: Строительство и архитектура. - 1971. - И 7. - С. 43-47.

11. Некоторые вопроса защиты и эксплуатации подрабатываемых эдаяяй // Тр. АКХ им.Панфилова. - 1972. - Вып. 91. - С. 68-83.

12. Вычисление суммарных деформаций земной поверхности при «вогократпой подработке зданий с учетом фактора времени // Тр. АКХ им. Панфилова. - 1974. - Вып. 90. - С. 11-17.

13.Определение затрат на охрану и поддержание подготовительных выработок, пройденных в тонких пологих пластах на большой глубине Л В сб. Экономика и управление угольной промышленностью ЛШЭИуголь. - 1977. - Вып. 10. - С. 5-7.

14. Вскрытие и подготовка тонких пологих газообильных пластов на большой глубине Л В сб. Добыча угля подземным способом /ЦЯИЭИутоль. - 1977. - Вып. II. - С. 15-17.

15." Схемы отработки тонких пологих пластов угля Л Уголь Украины. - 1977. - » 4..- С. 7-И.

16. Охрана окружающей среды при разработке угольных месторождений Донбасса Л Уголь Украины. - 1978. - № 8. - С.36-39.

17. Перемещение подрабатываемых выработок Л Уголь. - 1980.7 & 3. - С. 16-18.

18. Об оставлении шахтных вод в недрах при отработке пологих пластов // Уголь Украины. - 1980. - # 2. - С. 41.

19. Технологическая модель шахты для разработки тонких пологих гаэообильных пластов на большой глубине Л Уголь Украины.-

1981. - »7. - С. 21-23.

20. Параметры подработки охраняемых, объектов Л Уголь Украины..- 1982. -»II. - С. 23-24.

21. Отработка околоствольных целиков Л Уголь. - 1982. -№ I. - С. 17-20.

22. О малоотходном производстве при добыче угля в Донбассе Л Уголь Украины. - 1983. - й 6. - С. 11-12.

23. Управление подработанным массивом на шахтах в целях охраны недр. Л Исследование, прогноз и контроль проявлений горного давления: Тез. докл. Всесоюзн.науч.-техн.конф. 17-19 ноября 1982 г. - Л., ЛГИ, 1983. - С. 151.

24. Методические указания по совершенствованию технологии дббычи с целью повышения полноты извлечения утля при подземной разработке угольных месторождений. - М.: ИГД им. А.А.Скочинского. 1983. - 80 с. , '

25. Методические указания по предотвращению вредного влияния горных работ на геологическую среду. - М.: ИГД им. А.А.Скочинского, 1034. - 143 о.

26. Расконсервация запасов угля - важный резерв отрасли /J Уголь Украины. - 1986. - Л 6. - С.20-21.

27. Теория подрабатываемого массива горных пород. - М.: Няукг, 1997. - 176 с.

28. Рекомендации по снижению отрицательного воздействия горных работ на геологическую среду основных угольных бассейнов! СССР. - М.: ИГД им. А.А.Скочинского, 1987. - 122 о.

29. Геомеханические преобразования и охрана' подрабатываемых территорий. - М.: Наука, 1988. - 191 с.

30. Зажита подрабатываемых сооружений. - М.: Наука. - 1989.

- 184 С.

31. Технологические схемы комплексного использования недр при подземной разработке угольных месторождений. - М.: ИГД им. А.А.Скочинского, 1991. - 594 с.

32. Развитие малоотходной технологии при подземной добыче угля. - М.: ЦНИЭИуголь, 1986. - 46 с. (соавторы Ельчанинов Е.А., Горбачев Д.Т.).

33. Расконсервация запасов в общешахтных предохранительных целиках. - М.: ЦНИЭИуголь, 1988.

34. Разработка забалансовых запасов угля. - М.: ЦНИЭИуголь, 1988 (соавтор Ельчанинов Е.А.).

35. Прогрессивные технологические схемы разработки пластов на угольных шахтах (утв. МУЛ СССР). - М.: ИГД им.А.А.Скочинского, 1979.

36. Методика оценки экономической эффективности применения закладки выработанного пространства (утв. МУП СССР). М.: ИГД йм. А.А.Скочинского, 1988.

37. Пути рационального использования недр УД голь Украины.

- 1986. - й 12. - С. 19-21.

38. Влияние горных выработок на стальные магистральные трубопроводы // В сб.: Исследования по вопросам горного и маркшейдерского дела. - Л.: Углетехиздат. - 1958.-й 31. - С. 67-88.

39. Подработка стольных подземных трубопроводов в Донбассе // В сб.: Исследования по вопросам горного давления и сдвижения

. горвнх иород. - Л.: ВНИМЙ. - 1960. - & 34. - С. 308-317.

40. Учет влияния подработки прв расчете оснований здапаЗ а соорузоннй шахтной поверхности //В сб.: Проектирование и стро-а4вльстсо утольппх предприятий. - 1Л.: Недра. - 1964. - й 12. -С. 31-32.

41. Мероприятия по защите сооружений бааенного типа от влия-вет горзвх выработок // В еб.: Проектирование в строительство

угсльвнх предприятий. -II. : Недра. - 1965. - й 2. - С. 35-37. (соавтор БорЕппольекпЗ Е.И.).

___42. Опыт подработан едаеий в г^Довецке /Дгодь. - 1968. -

В 7. - С. 58-59 (соавтор Марков В.В.)

~ ' ■ . . . 29

43. Защита подрабатываемых городов в поселков Донбасса // В сб.: Исследования по вопросам горного давления > сдвихевия горных пород. - Л.: ВНИМИ. - 1967. - * 68. -С. 237-243 (соавторы Варлашкин В.М. , Марков В.В., Трифонов A.B.).

44. Технологическая модель шахты нового техижко-вкономячв-ского уровня для разработки весьма тонких и тонких пологах пластов. - М.: ИГД им.А.А.Скочивокого и ВДНХ СССР, 1974 (соавторы Кузьмич A.C., Хорин В.Н., Видулин А.Е. и др.).

45. Технологическая модель шахты для разработки тонких пологих пластов //В сб.: Всесоюз. конф. Экономические параметры горных предприятий будущего / Тез; докл. Вып. I. Секц. 1,5,6. М.; ЫГИ, 1976 (соавторы Кузьмич A.C., Видулин А.Е., Швыдаова I.A.).

46. Отработка изолированных непереходимых нарушениями участков пластов и целиков угля полосами // В сб.: Технология подземной разработки угольных месторождений. - М.: ЦНИЭИуголь, - 1976.

- а 3. - С. 10-12 (соавторы Брайцев A.B., Микляев Е.И., Охи-чев С.М.).

47. Сплошная система разработки пологих пластов' на больших глубинах //В об.: Технология подземной разработки угольных месторождений, - М., ЦНИЭИуголь. - 1976. - J> 5. - С.10-12 (соавтора Видулин А.Е., Швыдаова Л.А., Быкова В.И.).

48. Выемка целиков угля у подготовительных выработок пологах пластов //В сб.; Технология подземной разработки угольных месторождений, - М.: ЦНИЭИуголь. - 1976. - JS 9. - С.23-24 ( соавтор Видулин А.Е.).

49. Отработка пологих пластов длинными столбами по восстанию // В сб.: Технология подземной разработки угольных местроадений;

- М. ¡ЦНИЭИуголь, - 1976. - № 8. - С.25-26(соавторы Видулин А.Е., Швыдкова JI.A., Карнышев А.Д.).

50. Схема отработки тонких и средней мощности пологих плао-тов длинными столбами по простиранию о прямоточной схемой проветривания // В об.: Технология подземной разработки угольных месторождений. - М.: ЦНИЭИуголь. - 1977. - № 6. - C.I0-II (соавторы Видулин А.Е., Швыдкова Л.А.). ___

51. Проведение выработка с созданием разгруженной зоны и оставлением породы в шахте //Уголь. - 1978. - № 6. - С.27-30 (соавтор Видулин А.Е.). .

52. Технологическая схема отработки тонких пологих пластов на большой глубине с оставлением породы в шахте //Уголь Украины. ~ 1973> - Я 3, - С. 13-14 (соавтор Видулин А.Е.).

53. Комплексный подход к изучению процесса сдвижения горных пород // Уголь. -1981. - »8. - С. 62,63 ( соавторы Барановский В.И., Кариман С.А. ).

54. Бесцеликовые схемы отработки тонких пологих пластов в Донбассе // В сб.: Добыча угля подземным способом. - М.: ВДИЭИ-утоль. - 1982. - Я 5. - С. 21,22.

55. Закладка породы в шахте при малоотходном производстве в угольной промышленности // В сб.: Опыт создания безотходного производства на предприятиях угольной промышленности. - (Д.: ЦНИЭИуголь. - 1983. - /58. - С.20-27 (соавтор Посажеяникова Н.А.).

56. Методы управления геомеханическими процессами при подземной разработке угольных месторождений в целях рационального использования недр и охраны геологической среды. - М., ИГД им. А.А.Скочинского, 1988,-35 с.