CC BY
73
УДК 622.1:622.834
ДИНАМИКА ВЕРТИКАЛЬНЫХ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ СДВИЖЕНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ВКРЕСТ ПРОСТИРАНИЯ ЛАВ ПРИ ОТРАБОТКЕ ПОЛОГИХ И НАКЛОННЫХ ПЛАСТОВ КУЗБАССА
THE DYNAMICS OFTHE VERTICAL ANDHORIZONTAL COMPONENTS OFTHE EARTH S SURFACE DISPLACEMENTSACROSS THE LAVA STRIKE IN THE DEVELOPMENT OF THE FLAT ANDINCLINED COALBEDSINKUZBASS
Быкадоров Алексей Иванович1,
канд. техн. наук, генеральный директор, e-mail: aibykadorov@mail.ru Bykadorov Aleksey I. С. Sc. (Engineering), Director General
Ларичкин Петр Михайлович1, канд. техн. наук, зав. отделом, e-mail: larichkin.petr@yandex.ru Larichkin Petr М. ', С. Sc. (Engineering), Head of the Department
Свирко Сергей Владимирович2, аспирант, e-mail: svirko@ngs.ru Svirko Sergey V.2, postgraduate student Ренев Алексей Агафангелович2, докт. техн. наук, профессор, e-mail: raa@kuzstu.ru Renev Aleksey А.2, Dr. Sc. (Engineering),Professor
'Сибирский институт геотехнических исследований, 653000, Россия, Кемеровская область, г. Прокопьевск, ул. К.Либкнехта, 4
1 Siberian Institute of Geotechnical Investigations, 4 street Karl Liebknecht, Prokopyevsk, 653000, Russian Federation
2Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, 650000, Россия, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28
2T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University, 28 street Vesennyaya, Kemerovo, 650000, Russian Federation
Аннотация
Актуальность работы: Научные исследования последних лет в области подрабатываемых горных массивов охватывают динамические явления и закономерности формирования профиля динамической мульды сдвижений в зависимости от подвигания очистного забоя лавы. При этом закономерности сдвижения отдельных точек и взаимосвязь вертикальных оседаний и горизонтальных сдвижений в процессе формирования мульды сдвижения большинством исследователей не рассматривались.
Цель работы: Целью работы является выявление характерных особенностей смещения отдельных точек подрабатываемой поверхности и установление взаимосвязей между вертикальными и горизонтальными сдвижениями точек в направлении вкрест простирания в зависимости от подвигания очистных забоев в современных условиях.
Методы исследования: Закономерности процесса сдвижения отдельных точек земной поверхности, подрабатываемой горными работами, выявляются частотными инструментальными наблюдениями на профильных линиях. Дальнейший анализ производится математическими методам, в том числе и с привлечением теории случайных чисел.
Результаты: При формировании динамической мульды сдвижения зависимость между горизонтальными сдвижениями и оседаниями отдельных точек в направлении вкрест простирания практически линейна. При этом коэффициент связи горизонтальных сдвижений и оседаний точки зависит от ее положения на профильной линии. Для точек краевой части мульды по падению установлена эмпирическая зависимость отношения горизонтальных сдвижений и оседаний в зависимости от положения очистного забоя.
Abstract
The urgency of the discussed issue:A recent scientific investigations in the undermining area include dynamic phenomena and regularities of dynamicmoldfоrmation which are depending on advance the face to the
strike. The regularities of individual point's displacements and the relationship between the vertical subsidence and horizontal displacements in the mold formation process have not been considered by most researchers.
The main aim of the study: The study aims are revelation of the characteristic features of individual undermined surface point's movements and establishment therelations between the vertical and horizontal point's displacements in the direction across the strike, which are depending on advance the face to the strike.
The methods used in the study: Patterns of individual point's displacement of the undermined earth's surface are identified by frequency instrumental observations on the relevant lines. Further analysis is done by mathematical methods, including with the random numbers theory.
The results: In the dynamic mold formation the regularity of individual point'ssubsidence troughhorizon-taldisplacement across the strike is practically linear.The relation between the subsidence and horizontal displacement for undermined points depends on its position on the profile line.Empirical relations between subsidence and horizontal displacements for the points of the edge of the mold to the dip are given.
Ключевые слова: Земная поверхность, подработка, динамическая мульда, отношение вертикальны-хи горизонтальных сдвижений, подвигание забоя, закономерность, расчет.
Key words:Daylight surface, undermine, dynamic zone of displacement, relation between subsidence and horizontal displacements, advance the face to the strike, regularity, calculation.
Несмотря на многолетние инструментальные и теоретические исследования, физическое и математическое моделирование процессов подработки горного массива и земной поверхности многие вопросы динамики их сдвижений и деформаций остаются не до конца исследованными. Методики предрасчета и прогноза ожидаемых сдвижений и деформаций подрабатываемой земной поверхности, заложенные в нормативные документы по промышленной и экологической безопасности недропользования и в правила охраны зданий, сооружений и природных объектов от вредного влияния горных работ, основаны на усредненных типовых распределениях деформаций, отражающих закончившийся процесс сдвижений при проведении горных выработок. Динамика сдвижений и деформаций при формировании мульды сдвижения не учитывается.
Из публикаций последних 10 лет в области геомеханики подрабатываемых горных массивов можно выделить работы по динамическим процессам, сопровождающим активную стадию сдвижений подрабатываемой земной поверхности в условиях Донбасса [1, 2] и Кузбасса [3, 4]. В указанных работах рассматриваются закономерности формирования профиля динамической мульды сдвижений в зависимости от подвигания очистного забоя лавы. Закономерности сдвижений отдельных точек земной поверхности в этом профиле не рассматриваются, что является, на наш взгляд, важным вопросом динамики сдвижений, поскольку характер и величина сдвижений этих точек зависит от их положения в мульде.
Динамические процессы формирования профиля мульды сдвижения подрабатываемой земной поверхности в горно-геологических условиях Кузбасса исследованы по результатам многолетних инструментальных наблюдений, проведенных на различных шахтах региона Сибирским филиалом ВНИМИ и опубликованных в работах [3, 4].
Примеры формирования профиля мульды сдвижений и характера изменений в ней горизон-
тальных сдвижений при подвигании очистных забоев приведены на рис. 1, 2. Вкрест простирания пласта горизонтальные сдвижения земной поверхности в полумульде по падению приняты положительными, а в полумульде по восстанию - отрицательными. По простиранию пласта горизонтальные сдвижения, направленные в сторону движения очистного забоя, приняты положительными, в противоположную сторону - отрицательными. Направление движения очистного забоя со скоростью (с) показано стрелкой. Закономерности формирования профиля динамической мульды сдвижений и изменение деформаций по этому профилю исследовались A.C. Ягуновым [3]. Нами ставится задача исследования закономерностей изменения оседаний и горизонтальных сдвижений отдельных точек земной поверхности в динамической мульде и соотношений между ними в зависимости от подвигания очистного забоя лавы. При этом сохраним терминологию, принятую в [3].
В работе [5] показано, что по характеру сдвижения точек земной поверхности в плоскости профиль динамической мульды по простиранию делится на 4 зоны А, В, С и D (рис. 3), размеры которых определяются по граничным углам до, ö'o и углам Sa, дв, Sc,Öd, установленным по инструментальным наблюдениям.
В дополнение к этим исследованиям рассмотрим оседания и горизонтальные сдвижения точек земной поверхности вкрест простирания лавы на примере результатов, полученных с наблюдательной станции на шахте «Грамотеинская» (рис. 4). Поперечная профильная линия II состоит из 25 реперов. Их сдвижение в плоскости ¿;0г| на разрезе вкрест простирания лавы при прохождении очистного забоя под профильной линией приведено на рис. 5. Вертикальные и горизонтальные составляющие каждого репера выражены в относительных единицах ф/ц шах И T|i/r| max? где т|тах — максимальное оседание в сформировавшейся динамической мульде сдвижений. Оседания изменяются от 0 до 1, а горизонтальные сдвижения выражены в долях от
оседании.
Анализ рис. 5 позволяет выявить характерные особенности сдвижения реперов в плоскости ^0г| на разрезе вкрест простирания лавы. Так при моно-
^ I Л шах
тонном оседании точки поверхности, расположенные в полумульде по падению, сдвигаются в сторону восстания, а в полумульде по восстанию - в сторону падения.
номер репера
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
номер репера
падении
ш. Котинская, лава 5204
наблюдения с 13 по 27
полумульда по восстанию
полумульда по
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 номер репера
номер репера
- 0.4
11 13 15 17 номер репера
*1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 номер репера
юлумульда но паде
ш. им Кирова, лава 2452 наблюдения с 12 по 29
лумульда по восстанию
полумульда по падению
-0.2
-0.8
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
номер репера номер репера
Рисунок 1 - Примеры развития относительных горизонтальных и вертикальных составляющих сдвижений земной поверхности вкрест простирания пласта по мере прохождения лавы под профильными линиями: а), б) - шахта «Котинская», лава № 5205; в), г) - шахта «Котинская», лава № 5204; д), е) - шахта «Грамотеинская», лава № 631; ж), з) - шахта им. Кирова, лава № 2452.
Котинская,лава 5204,
—0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 номер репера
номер репера
^¡/Лтах е)
10 15 20 25 30 35 40 45 50 номер репера
31 25 19 13 номер репера
10 15 20
номер репера
номер репера
П^Птах
Рисунок 2 - Примеры развития относительных горизонтальных и вертикальных составляющих сдвижений земной поверхности по простиранию пласта по мере подвигания забоя лавы со скоростью (с): а), б) - шахта «Грамотеинская», лава № 631; в), г) - шахта «Котинская», лава № 5204; д), е) - шахта «Ко-тинская», лава № 5205; ж), з) - шахта им. Кирова, лава № 2452.
Во время всего процесса формирования динамической мульды сдвижения зависимость между горизонтальными сдвижениями и оседаниями отдельной точки поверхности близка к линейной. В этом существенное отличие от движения точек
поверхности на разрезе по простиранию лавы, приведенной в работе [5]. Разный характер сдвижений по простиранию и вкрест простирания фиксируется наблюдениями за реперомЯ21 (Я13) (рис. 6), расположенном на пересечении профиль-
& X
Рисунок 3 - Зоны сдвижения А, В, С и Б в сформированной микромульде при положении очистного забоя В1Х — 1,6Нср на разрезе по простиранию лавы.
Масштаб 1:5000
Рисунок 4 - Наблюдательная станция на шахте «Грамотеинская» при отработке лавы 631 пласта
СычёвскогоШ (II).
ных линий, при формировании динамической мульды.Еще одной особенностью сдвижения точек земной поверхности в направлении вкрест простирания является процесс «чистого» горизонтального сдвижения (практически без оседания) в конечной фазе процесса сдвижения. Указанное горизонтальное сдвижение по величине незначительно, а его направление, по сравнению с первоначальным, не меняется, т.е. точки поверхности, расположенные в полумульде по падению, досдвигаютсяв сторону восстания, а в полумульде по восстанию - в сторону падения.
Рассмотренные особенности сдвижения точек подрабатываемой земной поверхности на разрезе вкрест простирания при формировании динамической мульды сдвижения зафиксированы и на дру-
гих наблюдательных станциях, т.е. в условиях Кузбасса являются закономерными.
На рис. 1 - 2 видно, что отношения максимальных горизонтальных сдвижений в единичных наблюдениях к конечному максимальному оседанию по абсолютной величине составляют: в полумульде по падению 0,22 - 0,34; по восстанию 0,13 - 0,36; по простиранию 0,11 - 0,45. Это отношение в «Правилах охраны ...» [6] для расчета ожидаемых сдвижений и деформаций подрабатываемой земной поверхности принято постоянным по всему профилю мульды и для условий Кузбасса равным ао = 0,25. Однако в формирующейся мульде сдвижений такого постоянства нет. При отходе очистного забоя от монтажной камеры растут максимальные оседания поверхности в мик-
Полумульда "позади забоя'
Полумульда "впереди забоя1
ромульдах (микромульда - зафиксированное в единичном наблюдении состояние формирующейся динамической мульды сдвижения при определенном положении очистного забоя отно-
Л^Лтах
сительно монтажной камеры) и растут отношения максимальных горизонтальных сдвижений к конечному максимальному оседанию, то есть растет ао. Закономерности этого роста приведены на рис.
^ I Л max
Рисунок 6 - Характер сдвижения репера К21 (ШЗ), расположенного на пересечении профильных линий наблюдательной станции на шахте «Грамотеинская», лава 631: 1 - по простиранию, 2 - вкрест простирания.
Рисунок 5 - Сдвижение реперов 115-НК25 на разрезе вкрест простирания лавы при прохождении очистного забоя под профильной линией
Л/Лтах
0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 - 1
тах^Лтах > тах^Лп
а)
2
3
1
I
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
1.2 1.4 1.6 1.8 2 dx/Hcp
0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1
Ч таз/Лтах ' та х/л п
б)
2
3
I
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
1.2 1.4 1.6 1.8 2 dx/Hcp
Рисунок 7 - Закономерности изменения максимальных оседаний и горизонтальных сдвижений земной поверхности в зависимости от положения очистного забоя относительно монтажной камеры dx/Hcp, где dx - расстояние очистного забоя от монтажной камеры, м; Нср - средняя глубина горных работ в лаве, м: а) - по простиранию лавы: 1 - относительные максимальные оседания r|imax/r|max; 2 - относительные максимальные горизонтальные сдвижения ^¡тах/Лтах в сторону движения очистного забоя; 3 -относительные максимальные горизонтальные сдвижения в сторону монтажной камеры; б) - вкрест простирания при похождении очистного забоя под поперечной профильной линией: 1 -относительные максимальные оседания r|imaxAlmax; 2 - относительные максимальные горизонтальные сдвижения ^¡шах/Лтах в сторону восстания пласта; 3 - относительные максимальные горизонтальные
сдвижения в сторону падения пласта.
7, установленные по результатам обработки данных с наблюдательной станции на шахте им. Кирова, лава 2452 по пласту Болдыревский-24.
Профиль микромульды (кривая 1) вкрест простирания лавы и распределение в ней относительных горизонтальных сдвижений реперов (кривая 2) при положении очистного забоя на расстоянии 450 м от монтажной камеры приведены на рис. 8.
Кривая 3 здесь характеризует отношения горизонтальных сдвижений к соответствующим оседаниям каждого ьго репера ф/ г];.
Относительные максимальные горизонтальные сдвижения (кривая 2) при указанном положении забоя по абсолютной величине не превышают 0,2, а вот отношения горизонтальных сдвижений к соответствующим оседаниям каждого ¡-го репера ф/ г\\ (кривая 3) изменяются от 0 до 0.95 в полумульде по падению и от 0 до 1,36 по модулю в полумульде по восстанию.
/т1тах ; ^Чпах;
/ —V
1 —— \
—^ \ * —
) \ \
Длина поперечной профильной линии, м
Рисунок 8 - Фрагмент состояния динамической мульды сдвижений вкрест простирания пласта при фиксированном положении очистного забоя.
Примечание.: реперы находятся вне зоны
влияния очистных работ
Закономерности этого отношения в разных точках поверхности, расположенных в профиле мульды вкрест простирания, при различных по-двиганиях забоя приведены на рис. 9. Отношение, связывающее горизонтальные сдвижения и оседания точки, зависит от ее положения на разрезе вкрест простирания и для различных подвиганий-варьируется от 0 до 1 (рис. 9а) в полумульде по падению и до 1,7 по модулю (рис. 9е) в полумульде по восстанию.
Как видно из рис. 9, в профиле мульды выделяются зоны с разным характером изменения в зависимости от прохождения очистного забоя под данной зоной.
Рассматривая единичные наблюдения в каждой зоне как независимую выборку из генеральной совокупности, можно установить эмпирическую зависимость интересующей нас величины. Например, для точек поверхности в краевой части
по падению (рис. 9а) данная зависимость имеет вид, представленный на рис. 10.
Кривая (1) аппроксимирована выражением:
& ( (1х\
— = 0.85 - 66.3 ■ ехр -4.5----(1)
Щ \ НСР)
Коэффициент корреляции равен 0.86, коэффициент детерминации составляет 0.74, что является достаточным основанием представить изменения соотношений между горизонтальными сдвижениями и оседаниями точек поверхности в краевых частях по падению выражением (1).
Выводы
Проведенные исследования позволяют сделать следующие основные выводы.
Существующие нормативные документы в области сдвижения горных пород устанавливают однозначную связь вертикальных оседаний и горизонтальных сдвижений через коэффициент связи максимальных оседаний и горизонтальных сдвижений ао, принятый для условий Кузбасса равным 0.25, и типовые распределения, полученные по результатам анализа инструментальных наблюдений для условий закончившегося процесса сдвижения.
Научные исследования последних лет в области подрабатываемых горных массивов охватывают динамические явления и закономерности формирования профиля динамической мульды сдвижений в зависимости от подвигания очистного забоя лавы. При этом закономерности сдвижения отдельных точек и взаимосвязь вертикальных оседаний и горизонтальных сдвижений в процессе формирования мульды сдвижения большинством исследователей не рассматривались.
Во время формирования динамической мульды зависимость между горизонтальными сдвижениями и оседаниями отдельных точек поверхности на разрезе вкрест простирания близка к линейной.
Коэффициент связи горизонтальных сдвижений и оседаний отдельной точки зависит от ее положения на разрезе вкрест простирания и положения линии забоя и изменяется от 0 до 1 в полумульде по падению и до 1,7 по модулю в полумульде по восстанию.
При монотонном характере оседаний точки поверхности, расположенные в полумульде по падению, сдвигаются в сторону восстания, а в полумульде по восстанию - в сторону падения. Конечная фаза процесса сдвижения в направлении вкрест простирания характеризуется «чистым» горизонтальным сдвижением незначительным по относительной величине.
Рассмотрение результатов инструментальных наблюдений в направлении вкрест простирания в относительных величинах позволяет объединить их в единую статистическую совокупность, и определить функциональные соотношения между
к /щ
1.2 1
0.8 0.6 0.4 0.2 0
«¡/Л!
Я)
>
> реперь I 5-9
0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
с!х/Н„
ср
.2 1.4 1.6 1.8 2
ах/н
«а/Лж
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
реперы 1 0-13
0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
с1х/Н„
ср
.2 1.4 1.6 1.8 2
ср
ах/н
ср
-0.3
-0.4
-0.5
-0.6
-0.7
-0.8
реп еры 21 -29
0.8 1 1.2 1.4 1.6
ах/н
ср
Рисунок 9 - Закономерности изменения отношения горизонтальных сдвижений к оседаниям отдельных точек земной поверхности в профильной линии вкрест простирания в зависимости от положения
под ней очистного забоя лавы.
оседаниями и горизонтальными сдвижениями в шем, обосновать их количественный прогноз, зависимости от подвигания забоя и, в дальней-
£'ni
Рисунок 10 - Статистическое поле наблюдаемых отношений горизонтальных сдвижений точек подрабатываемой земной поверхности к их оседанию в краевой зоне по падению пласта в профиле мульды вкрест простирания
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Назаренко В.А., Кучин A.C., Балафин И.Е. Закономерности изменения максимальных оседаний и наклонов земной поверхности на стадии формирования мульды сдвижения. // НауковшращУкрНДМ1 HAH Укршни, № 5 (частина I), 2009.
2. Назаренко В.А., Сдвижкова Е.А., Кучин A.C. Модель развития наклонов земной поверхности на стадии формирования мульды сдвижения для условий Западного Донбасса.//Форум прниюв - 2012. -Дншропетровськ, НГУ, 2012. — С. 242—245.
3. Лгунов A.C. Динамика деформаций в подрабатываемом горном массиве / Минэнерго РФ, НИИ горн.геомех. и маркшейд. дела - Межотраслевой научный центр ВНИМИ, Сибирский филиал. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2010. - 239 с.
4. Лгунов A.C. Закономерности сдвижения горных пород в Кузбассе. - СПб., 2000. - 304 с.
5. Свирко C.B., Ренев A.A. Особенности смещения точек подрабатываемой земной поверхности высокоскоростными очистными забоями при отработке полого-наклонных угольных пластов Кузбасса. // Вестник Кузбасского государственного технического университета, 2015, № 5.
6. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. - СПб, ВНИМИ, 1998, - 290 с.
REFERENCES
1. NazarenkoV.A., KuchinA.S., BalafinI.E. Zakonomernosti izmeneniya maksimarnykh osedaniy i naklonov zemnoy poverkhnosti na stadia formirovaniya muldy sdvizheniya. // Nau-kovipraciUkrNDMINANUkrai'ny, № 5 (chastynal), 2009.
2. NazarenkoV.A., SdvizhkovaE.A., KuchinA.S. Model1 razvitiya naklonovzemnoy poverkhnosti na stadii formirovaniya muldy sdvizheniya dly ausloviy Zapadnogo Donbassa. // Forumgirnikiv - 2012. -Dnipropetrovs'k, NGU, 2012. — S. 242—245.
3. YagunovA.S. Dinamika deformatsiy v podrabatyvaemom gornom massive / MinenergoRF, N11-gorn.geomekh. imarksheyd. dela - MezhotraslevoynauchnyytsentrVNIMI, Sibirskiyfilial. - Kemerovo: Kuzbassvuzizdat, 2010.-239 s.
4. YagunovA.S. Zakonomernosti sdvizheniya gornykh porod v Kuzbasse. - SPb., 2000. - 304 s.
5. Svirko S.V., Renev A.A. Osobennosti smeshcheniya tochek podrabatyvaemoy zemnoy poverkhnosti vysokoskorostny miochistnymi zaboyami pri otrabotke pologo-naklonnykh ugol'nykh plastov Kuzbassa. // Vest-nikKuzbasskogogosudarstvennogotekh-nicheskogouniversiteta, 2015, № 5.
6. Pravila okhrany sooruzheniy i prirodnykh ob"ektov ot vrednogo vliyaniya podzemnykh gornykh raz-rabotok na ugol'nykh mestorozhdeniyakh. - SPb, VNIMI, 1998, - 290 s.
Поступило в редакцию 21.12.2015 Received 21 December 2015
