CC BY
27
УДК622.83 1.33
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СДВИЖЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД В ЗАВИСИМОСТИ ОТ
ВОДОНОСЫЩЕНИЯ НАДУГОЛЬНОЙ ТОЛЩИ (УСЛОВИЯ ШАХТЫ «ПОДМОСКОВНАЯ»,
ОАО «ТУЛАУГОЛЬ»)
В.И. Пронин, Кумар Паритош, А.П. Медведев
Кафедра горного дела Российский университет дружбы народов Росси, 117198, Москва, ул. Микпухо-маклая, д. 6
В статье рассматриваются вопросы охраны земной поверхности при разработке угольного пласта применительно к условиям шахты Подмосковная. Исследована и определена динамика сдвижения горного массива при наличии в нем водонасыщенных песков.
Существующая техника прогноза оседания земной поверхности базируется на двух категориях: эмпирической и феноменологической (Veight and Pariseau, 1970; Brauner, 1973; Singh, 1978)'.
Эмпирические теории, в основном, базируются на наблюдениях и опыте полевых исследований. Некоторые из эмпирических методов оказались достаточно надежными по прогнозу оседания земной поверхности, по крайней мере для определенного района. Многие из них успешно были использованы в ряде стран, особенно в Европе.
Феноменологический подход базируется на принципах моделирования эквивалентными материалами, где опускающийся массив математически представлен как идеализированный материал, подчиняющийся законам механики сплошных сред.
В отличие от эмпирических методов, указанный метод не получил сегодня широкого распространения главным образом из-за трудности представления комплекса геологических свойств массива в простых математических выражениях.
Эмпирические методы прогноза оседания земной поверхности над подземными выработками следующие: графический (Graphical), функции профилей (Profile functions), функции влияния (Influence functions).
Графический метод заключается в графическом представлении оседания земной поверхности2. Этот метод приемлем в тех случаях, когда имеется достаточный объем данных, натурных (лабораторных) наблюдений. Применение полученных графиков все же привязано к конкретным геологическим условиям. Этот метод получил распространение в Великобритании.
В России и других станах СНГ определение параметров сдвижения земной поверхности при подземной разработке полезных ископаемых производится по методике ВНИМИ2.
Функции профилей заключаются в выводе математических формул, которые можно использовать для построения профиля оседания земной поверхности. Метод профильных функций успешно применяется в нескольких странах, таких
как Польша, Венгрия, СНГ и последнее время в США (Gill, 1971; Brauner, 1973; Munson and Eichfeld, 1980; Adamek and Geran, 1981; Hood at al ,1981;Peng and Chyan, 1981; Wordell, 1982).
Хорошую сходимость показала гиперболическая функция оседания земной поверхности, предложенная применительно к условиям CIlIA(Peng and Chyan, 1981; Hood at al, Karmis and Jarosz, 1988). Функция влияния (Budryk - Knothe, 1956) успешно применяется в США для прогноза сдвижения земной поверхности.
1 SME Mining Engineering Handsook. End Edition. Vol. 1,2. Lttleton, Colorado, 1992.
2 Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных выработок на угольных месторождениях. - СПб:, 1998-291с.
Феноменологические методы, в основном, базируются на механике сплошных сред, считая при этом среду упругой (Salamon, 1963-1964; Berry, 1969; Plowman et al, 1969; Crouch, 1973), вязкоупругой (Marshall and Berry, 1967), пластической (Parisean and Dahl, 1970), упруго-упругопластической (Dahl and Choi, 1974), упругой без трения, слоистой моделью (Salaman, 1989). Только упругопластическая модель была успешно применена в США (Dahl and Choi, 1974; 1981).
В настоящее время все большее распространение для прогнозирования параметров сдвижения получают компьютерные программы. Так, в США используются следующие методики; SPASID (subsidence prediction and system identification, 1983), Pensilvania State University. Используется функция влияния (Knothe). Дает возможность определить оседание, горизонтальное сдвижеие, горизонтальные деформации; SUBRO (subsidence professional, 1985), USBM. Используется комбинация функций профиля и функция влияния. Дает возможность определить оседания, наклоны, кривизны, горизонтальные деформации. Только для северных Аппалачей; SDPS (sufrace deformation prediction system, 1987), Viginia Polytechnic Institute and State University. При использовании функции профиля определяется оседание, точка перегиба. В случае функции влияния - оседание. Обеспечивает 2-х и 3-х мерное изображение. Пригодна для камерной системы разработки. Разработана для Аппалачей, но используется и в других бассейнах; CISPM (comprehensive, integrated subsidence prediction model, 1988), West Virginia University. Используется функция влияния. Определение опускания, горизонтальных сдвижений, наклонов, деформаций, кривизны. Может принимать данные непосредственно со станций замеров. Необходим математический сопроцессор включающий в программы: LWSUB, SUBSDNC, DYNSUB, SURVEY, SUBDED, CONSULT. Разработана для Аппалачей, применяется и в других бассейнах.
Для Подмосковного бассейна углы сдвижения горных пород по всем направлениям принимаются одинаковыми и равными 55°. Графики сдвижений и деформаций в главных сечениях мульды для условий шахты Подмосковная при отсутствии водонасыщенных песков представлены на рис.1.
Процесс сдвижения земной поверхности в зоне влияния подземных разработок протекает неравномерно во времени и характеризуется общей продолжительностью и периодом опасных деформации. Общая продолжительность процесса сдвижения для Подмосковного бассейна принимается равной 15 месяцам и период опасных деформаций - 6 месяцам.
Наличие в надугольной толще линз водонасыщенных песков может служить в этом отношении отягчающим обстоятельством (рис.2.). С целью выявления характера сдвижения поверхности при подработке таких включений в породах было проведено моделирование на плоском стенде в масштабе CL=1: 200. Масштаб времени Ct=l: 14. Размеры стенда; длина - 1 м, высота - 0,5 м, толщина - 0,05 м.
С учетом линейного масштаба и масштаба времени при суточном подвигании лавы 5 м/сутки в модели продвигание составляло 2,5 см за 1,7 часа.
Подбор эквивалентного материала производился исходя из величины зависания непосредственной кровли в натуре (1-Зм) и углов сдвижения массива горных пород (согласно ВНИМИ для Подмосковного Бассейна - 55°), а также с учетом прочностных характеристик пород.
В итоге использовали смесь песка с водой на клеевой основе. Сдвижение фиксировались по реперам. Одновременно велось фотографирование стенда. При моделировании линзы соотношение песка с водой составляло 50 : 50. При отработке пласта угля происходило интенсивное развитие трещиноватости, зависание непосредственной кровли не превышало 1-Зм. Углы сдвижения вышележащего массива пород составили 50-60°. Мульдообразование для условий шахты Подмосковная опережало очистной забой на 50м. Плоское дно мульды формировались на 40м позади забоя лавы.
Пронин В.И, Паритош Кумар, Медведев А.П. Исследование параметров.
161
Рис.1 Графики сдвижений и деформаций земной поверхности в главных сечениях мульды для условий шахты Подмосковная: (1 - оседания (т|тах=2.25 м); 2 - наклоны (1тах=68*10‘3); 3 - кривизны ((1/Я)тах=34*10'4); 4 - горизонтальные деформации (ета*=52* 10‘3)
Рис.2 Схема подработки в надугольной толщи с включением водонасыщенных песков (1 -первоночаьный контур линзыж 2 - контур линзы после подработкию)
Таким образом длина полумульды составила примерно 90м (93м при графическом построении по методике ВНИМИ).
При подработке линзы получили следующее. Когда трещины достигают границ линзы (песок с водой), происходит дренаж воды и интенсивно развивается сдвижение пород, которое быстро достигает поверхности. При этом угол сдвижения меняется в сторону уменьшения и достигает 18°. Над линзой на поверхности формируется провал. Моделировался также вариант отработки пласта под линзой, в которую подавался укрепляющий (цементирующий) состав. В этом
162 Вестник РУДН, сер. Инженерные исследования, 2003, №2, с. 159-162
случае оседание происходило аналогично первой схеме (без линзы), хотя отмечалось запаздывание начала сдвижения при проходе забоя под ней.
Во избежание формирования провала на земной поверхности возможно также под водонасыщенной линзой оставление целика.
Выводы:
1. Моделирование эквивалентным материалом подтвердило совпадение углов сдвижения для условий шахты Подмосковная с углами в целом для Подмосковного бассейна по рекомендации ВНИМИ.
2. Результаты моделирования свидетельствуют о том, что водонасышение грунта может существенно повлиять на характер и параметры сдвижения.
3. При водонасыщении грунта до 50% угол сдвижения уменьшается до 18 градусов.
4. Подача в линзы водонасыщенного песка цементирующих растворов позволить предотвратить прорыв воды в рабочее пространство и существенно «сгладить» интенсивность сдвижения земной поверхности.
5. При необходимости охраны природных объектов горные работы требуется вести таким образом, чтобы под этим объектом формировалось плоское дно мульды сдвижения поверхности земли.
6. При отработке модели с «отвердевшей линзой» динамических явлений в развитии мульды сдвижения при отработке пласта не наблюдалось. Возможно также в такой ситуации перейти на способ управления кровлей заложением выработанного пространства, чтобы предотвратить развитие трещин. Однако при слабой кровле, которая в условиях шахты Подмосковная не выдерживает даже незначительного обнажения, реализовать это практически невозможно.
INVESTIGATION OF ROCK MASSIVE SUBSIDENCE PARAMETERS DEPENDING ON WATER CONTENT OF OVERLYING SANDS (CONDITIONS OF PODMOSKOVNAYA COLLIERY)
V. I. Pronin, Paritosh Kumar, A. P. Medvedev
The Department of Mining Engineering Peoples Friendship University of Russia Mikluho-Maklaya, 6 Moscow, 117198, Russia
Some questions of surface subsidence parameters investigation for general conditions and with relation to water content in overlying sands are scrutinized in the article.
Пронин Владимир Иванович. Родился в 1940 г. Окончил Университет дружбы народов в 1967 г. К.т.н., проф. кафедры горного дела, действительный член международной ассоциации горных инженеров (SME). Имеет около 70 публикаций. В сферу научных интересов входят вопросы природоохранных технологий подземной разработки угольных месторождений.
Pronin Vladimir. Bom in 1940. Graduated from PFU in 1967 professor of the Mining Engineering Dpt, Peoples Friendship University of Russia, Ph. D, SME member. Publications: about 70 scientific articles, short courses of lectures, methodic works and inventions. Professional interests: Nature and object Protection in case of underground mining.
Медведев Андрей Петрович. Родился в 1978 г. В 2002 окончил РУДН. В настоящее время является аспирантом кафедры горного дела РУДН. Занимается вопросами природоохранных технологий подземной разработки угольных месторождений.
Medvedev Andrey. Bom in 1978. Graduated from PFU in 2002. At present time -postgraduate student of Mining Engineering Dpt., PFU. Professional interests: Nature and object Protection in case of underground mining
