Прогноз деформаций земной поверхности при взаимном влиянии очистных выработок в свитах угольных пластов

Актуальность темы

Вопросы эффективности использования производственных мощностей и фондов предприятий, рациональное использование природных ресурсов тесно связаны с решением проблем сдвижения горных пород и защиты промышленных, комплексов гражданских зданий и сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок.

Решение вопросов нормальной эксплуатации объектов в период подработки, в основном зависит от надежности и точности прогнозирования величин сдвижений и деформаций, что в свою очередь требует учета влияния всех горнотехнических факторов и горно-геологических особенностей месторождения на параметры процесса сдвижения.

В то же время, на основании методов прогноза величин сдвижений и деформаций, могут применяться оптимальные горные и конструктивные меры защиты объектов, что позволяет уменьшить вредное воздействие деформаций земной поверхности на основные конструкции подрабатываемых объектов, и дает возможность производить наиболее полную отработку запасов под застроенными территориями, с обеспечением снижения потерь угля в недрах и уменьшением затрат на меры защиты.

Сдвижение горных пород происходит не плавно, а дискретно, вследствие чего на земной поверхности отмечаются места концентраций деформаций, связанные, как правило, с выходами под наносы мелкоамплитудных нарушений и слабых слоевых контактов, которые на этапе разведки выявить невозможно и следовательно, невозможно прогнозировать деформации с достаточной степенью точности.

Увеличение глубины горных работ, и вовлечение в разработку нескольких угольных пластов, существенно затрудняет проведение достаточно точного прогнозирования параметров процесса сдвижения. Прогноз деформаций земной поверхности с использованием закономерностей взаимного влияния ранее пройденных выработок, позволит более надежно и точно определять последствия планируемой отработки запасов угля в свитах пластов.

Взаимовлияющим считается такое расположение очистных выработок, при котором зоны опорного давления, обрушения, разгрузки и сдвижения формируемые одной из них оказывают воздействие на параметры соответствующих зон другой.

Исследования по теме диссертационной работы проведены автором в процессе выполнения НИР отраслевого плана ВНИМИ в соответствии с программами Минуглепрома СССР на 1986;90 г. г., НИР № г. р. 239 035 102 «Проведение исследований влияния положения горных выработок в свите пластов на сдвижение и деформации земной поверхности», 1987 г., НИР № г. р. 239 035 104 «Проверка в промышленных условиях и корректировка методов расчета деформаций земной поверхности при разработке свит пластов», 1988 г., НИР № г. р. 239 035 200 «Разработка методических указаний по прогнозу сдвижений и деформаций земной поверхности и рациональному планированию горных работ под застроенными территориями», 1989;90 г. г., и Минтопэнерго РФ, НИР № г. р. 02.31.804.000 «Разработка проекта правил охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях», 1991;96 г. г.

Цель работы. Выявление основных закономерностей процесса сдвижения при ведении горных работ в свитах пластов при взаимном влиянии очистных выработок и разработка на их основе методики расчета величин сдвижений и деформаций земной поверхности.

Идея работы состоит в использовании закономерностей процесса сдвижения при взаимном влиянии горных выработок на земную поверхность, с целью повышения надежности прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности для предприятий угольной промышленности.

Задачи исследований:

— обобщение и анализ результатов натурных инструментальных наблюдений за характером процесса сдвижения земной поверхности в условиях разработки свит пологих и крутопадающих пластов;

— лабораторные исследования на моделях из эквивалентных материалов, с целью изучения процесса сдвижения при ведении горных работ в свитах пластов;

— исследование влияния положения и размеров очистных выработок на величины сдвижений и деформаций земной поверхности для определения критериев их совместного влияния на земную поверхность;

— разработка метода расчета деформаций земной поверхности с учетом взаимного влияния выработок.

Методы исследований. Поставленные задачи решались путем комплексного метода, включающего в себя:

— проведение инструментальных маркшейдерских наблюдений за сдвижениями и деформациями земной поверхности и подрабатываемыми сооружениями;

— лабораторные эксперименты на моделях из эквивалентных материалов;

— обобщение и анализ ранее выполненных исследований;

— анализ и статистическая обработка результатов экспериментальных исследований.

Научные положения, выносимые на защиту:

— угловые параметры зоны сдвижения земной поверхности, формирующиеся вследствие отработки взаимовлияющих пластов совпадают, а границы мульды сдвижения зависят при пологом залегании пластов от отношения глубины к расстоянию между границами очистных выработок в плоскости напластования, а при наклонном и крутом — от отношения глубины границы очистной выработки вышележащего пласта к горизонтальной мощности междупластьямаксимальные оседания поверхности при последовательной отработке взаимовлияющих выработок зависят от отношения их вынимаемых мощностей, глубин залегания, степеней подработанно-сти массиваположение зон максимальных и сосредоточенных деформаций взаимовлияющих очистных выработок совпадают, а их величины пропорциональны отношению максимальных оседаний от каждой выработкиуступы и места сосредоточенных деформаций, при подработке тектонических нарушений и осевых поверхностей складок, при проведении взаимовлияющих очистных выработок совпадают, а их величины пропорциональны отношению максимальных оседаний от каждой взаимовлияющей выработки.

Научная новизна работы: определены угловые параметры зон сдвижения от взаимовлияющих очистных выработокэкспериментально установлен факт совпадения точек максимальных деформаций поверхности при последовательной отработке взаимовлияющих пластов и зависимость их величин от количества подработокустановлена количественная зависимость величин уступов образующихся в мульде сдвижения от величины максимальных оседаний при отработке каждой взаимовлияющей выработки.

Личный вклад автора:

— проведение экспериментальных исследований в натурных и лабораторных условиях;

— анализ и обобщение результатов ранее проведенных наблюдений за сдвижением и деформацией земной поверхности;

— анализ и статистическая обработка результатов экспериментальных исследований;

— разработка методики прогноза ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности.

Достоверность результатов исследований обеспечина:

— большим объемом натурных данных (90 наблюдательных станций) в различных горно-геологических и горнотехнических условиях залегания свит угольных пластов в Донецком, Кузнецком, Карагандинском, Челябинском бассейнах, на месторождениях Инты, Воркуты, Буланаша и Кизела;

— экспериментальными исследованиями на моделях из эквивалентных материалов (№№ 843, 861, 881);

— статистическим анализом результатов экспериментальных исследований и их сопоставлением с полученными математическими зависимостями.

Практическая ценность работы заключается в повышении надежности прогноза величин сдвижений и деформаций земной поверхности при разработке свит пластов взаимовлияющими выработками, что позволяет сократить затраты на меры защиты и восстановление подрабатываемых зданий и сооружений, продлить сроки службы действующих и подготавливаемых горизонтов и шахт.

Реализация работы:

— результаты исследований и рекомендации рационального планирования горных работ использовались при составлении заключений: для прогнозирования деформаций поверхности г. Гуково при отработке пластов /сб, /с5м, къв шахтой «Гуковская» — по порядку и очередности отработки свиты пластов под городами Горловка и Дзержинск", подрабатываемых шахтами им. Ворошилова, Ново-Нзержинская, Дзержинского — ПО «Дзержинскуголь», Гаевого, Ленина, Кочегарка, Комсомолец, Калинина, Румянцева, Конд-ратьевка, Гагарина — ПО «Артемуголь» ;

— основные положения разработанной методики прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности вошли в «Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях», согласованные с Минтопэнерго РФ и утвержденные Госгортехнадзором РФ 1 октября 1998 г.;

— отдельные положения методики вошли в проекты: «Методических рекомендаций по проектированию мер защиты магистральных газонефтепроводов над горными выработками на угольных и сланцевых месторождениях России» и «Методических рекомендаций по выбору конструктивных и горных мер защиты охраняемых объектов в основных угольных бассейнах в сложных горно-геологических условиях и при многократной подработке» .

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались на конференции «Молодые ученые ВНИМИ — горному производству» в 1989 г., а также в процессе обсуждения «Правил охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок» на секциях и Ученом Совете ВНИМИ, на заседаниях редакционной комиссии.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы.

— 10.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 104 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 81 наименований, 21 рисунка, 17 таблиц.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5.

Выполненный расчет среднеквадратических отклонений измеренных и расчетных величин удовлетворяет точности определения деформаций земной поверхности.

Графики сдвижений и деформаций по н.с. 179 шх. им. Ворошилова,.

Кузнецкий бассейн оседания.

123 456 789 наклоны горизонтальные деформации.

—— от первой выработки———от второй выработки;

— расчетные.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе содержатся решения задачи повышения надежности прогноза деформаций земной поверхности на основе установленных в результате исследований следующих закономерностей процесса сдвижения при разработке свит взаимовлияющих пластов:

1. Угловые параметры процесса сдвижения в зонах взаимного влияния выработок изменяются в среднем на Л = ± (15° -г- 18°), а в отдельных случаях до, А — ± 30°, что ведет к смещению характерных точек мульды сдвижения при повторных подработках поверхности в направлении характерных точек мульды сдвижения от выработок первой очереди.

2. При разработке пластов взаимовлияющими очистными выработками повторная подработка земной поверхности не вызывает существенного изменения положения зон максимальных деформаций сформированных при первичной подработке. Определены размеры зон взаимного влияния, как расстояние между границами выработок в плоскости напластования при пологом залегании или как расстояние по горизонтали при наклонном и крутом залегании пластов, которые зависят от глубины границ выработки, отработанной в первую очередь, мощности междупластья и угла падения горных пород.

3. Максимальные значения горизонтальных сдвижений и деформаций, наклонов, кривизны пропорциональны отношению максимальных оседаний поверхности от проектируемой и ранее пройденной выработок. Разработан метод расчета величины максимального оседания от проектируемой выработки на основе данных наблюдений за сдвижением от ранее пройденной взаимо-влияющей выработки, с учетом отношения вынимаемых мощностей пластов, глубин залегания выработок, отношения коэффи.

— 95 циентов подработанности массива.

4. Места сосредоточенных деформаций на земной поверхности совпадают, и их величины пропорциональны отношению максимальных оседаний.

5. Оценка ошибок прогнозируемых величин, удовлетворяет точности определения сдвижений и деформаций земной поверхности. Обоснован метод расчета сосредоточенных деформаций (уступов) при подработке тектонических нарушений и осевых поверхностей складок взаимовлияющими выработками, исходя из отношения максимальных оседаний от проектируемой и ранее пройденной выработки.