CC BY
25
УДК 622.841
ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ПОДРАБОТКЕ ТЕХНОГЕННЫХ И ЕСТЕСТВЕННЫХ МАССИВОВ
Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова, Ю.Ю. Кутепов, М.В. Саблин
Для условий подземной разработки угля в Кузбассе выполнен анализ развивающихся в естественных и техногенных массивах геомеханических процессов. В частности, рассмотрены условия и причины образования провалов на земной поверхности на шахте им. А.Д. Рубана при отработке трех угольных пласта суммарной мощностью около 10 м; показано, что подработка естественных склонов в предгорных территориях с холмистым рельефом сопровождается оползневыми процессами и явлениям; дано решение проблемы обеспечения устойчивости гидротехнических сооружений на подрабатываемых территориях и приведены результаты вычислительных исследований на дамбах и плотинах гидроотвала на реке Еловка, подрабатываемого очистными работами шахты «Байкаимская». Прогнозирование геомеханических процессов при подработке массивов горных пород осуществлялось на основе численного моделирования сдвижения горных пород МКЭ, при этом предварительно выполнялось сравнение полученных деформаций с результатами расчетов по нормативной методике и натурными данными, замеренными при опытно-промышленном эксперименте.
Ключевые слова: геомеханические процессы, сдвижение, провалы, угольные месторождения, устойчивость, оползни, гидроотвал, численное моделирование, Кузбасс.
Введение. Подземная разработка угольных месторождений на территориях с развитой горнодобывающей инфраструктурой сопряжена с решением геомеханических проблем в связи с попаданием в зону влияния подземных горных выработок различных природных и техногенных объектов: сельскохозяйственных угодий, полей, лесов, водоемов, водотоков, зданий, сооружений и пр. На участках сопряжения подземных и открытых работ в зонах риска оказываются горнотехнические сооружения разрезов: борта и уступы, отвалы, гидроотвалы, транспортные и другие коммуникации. При подземной добыче угля в породных массивах происходит сдвижение горных пород в сторону выработанного пространства, захватывающего также земную поверхность и расположенные на ней объекты различного назначения. Это может стать причиной разрушительных деформаций для последних или спровоцировать развитие негативных геодинамических явлений, например, провалов и оползней. Так, на шахте им А.Д. Рубана в Кузбассе при отработке свиты пластов на поверхности земли наблюдается формирование провалов различной морфологии, приводящих к уничтожению сельскохозяйственных угодий [8, 9]. В г. Осинники на подработанных шахтами склонах широко распространены оползни, представляющие угрозу для жилой застройки и общественных зданий [11]. На некоторых шахтах в Кузбассе велись, ведутся и планируются подземные горные работы под горнотехническими сооружениями, в частности, гидроотвалами вскрышных пород [10]. Развивающиеся в подрабатываемых массивах гео-
механические процессы существенно сказываются на безопасности функционирования природных и техногенных объектов, требуют пристального изучения с целью установления закономерностей проявления, разработки методов их прогнозирования, контроля и управления.
Образование провалов на поверхности земли при подработке. Провалы на земной поверхности шахтных полей обычно проявляются в виде нарушения сплошности пород [5, 8, 14] при ведении очистных горных работ на глубинах менее 20-т (т - вынимаемая мощность пласта). Данная зависимость обоснована результатами многочисленных наблюдений на шахтах России, бывшего СССР и дальнего зарубежья, принята действующим нормативным документом Ростехнадзора РФ [12].
Однако по факту на шахте «Имени А.Д. Рубана» отмечено образование провалов на поверхности земли при глубинах горных работ, значительно превышающих данный критерий. Изучение причин их образования производилось для условий отработки пластов Байкаимский, Надбайка-итмский, Полысаевский-П, суммарной мощностью около 10 м. Углевме-щающая толща здесь представлена переслаиванием песчаников, алевролитов, углей верхне- пермского возраста и перекрыта дисперсными неоген-четвертичными отложениями мощностью до 50 м. Верхняя часть разреза покровных отложений сложена лессовидными макропористыми, проса-дочными, «псевдо хрупкими» суглинками. В процессе отработки угольных пластов на поверхности наблюдались явления, которые классифицировались как провалы с выделением 4 типов: 1) воронки небольшие в плане и по глубине; 2) цепочки воронок 3) «борозды» протяженностью до 500 и более метров; 4) трещины и террасы (рис. 1).
Рис. 1. Провалы на поле шахты им. А.Д. Рубана 3-го (а) и 4-го (б) типов
Выделенные типы провалов являются, по всей видимости, различными стадиями процесса провалообразования, развивающегося в приповерхностной части подрабатываемого массива в результате сдвижений горных пород, сопровождающихся формированием мульды сдвижения. Доказательством тому служат места и направления их проявления, которые четко привязаны к межлавным целикам, монтажным и демонтажным камерам, т.е. границам лав по простиранию и вкрест простирания пород [8]. Кроме того, каждый из типов происходит на различных этапах подработки поверхности. При первичной подработке пластом небольшой мощности образуются трещины, которые постепенно под действием атмосферных вод превращаются в воронки в результате просадок лессовидных суглинков. Последующие отработки угольных пластов при сохранении в плане положений лав по пластам провоцируют дальнейшее формирование провалов 3-го и 4-го типов пропорционально развитию горизонтальных деформаций растяжения. При этом следует учитывать то обстоятельство, что верхняя часть разреза пород, где образуются провалы, сложена пыле-ватыми лессовидными суглинками, характеризующимися наличием рыхлого макропористого скелета, «псевдохрупким» характером разрушения, склонных к просадочности при дополнительном увлажнении. Такие породы, попадая в зоны сдвижений, не имея возможности к развитию пластических деформаций, хрупко разрушались с образований на поверхности трещин, при этом ширины их раскрытия оказались пропорциональны деформациям растяжения или изгиба.
Оползни на подрабатываемых территориях. Подработка территорий в предгорных районах с холмистым рельефом сопровождается в некоторых случаях развитием оползней [2, 6, 11, 14]. При наличии жилой застройки и инфраструктурных объектов шахт данные процессы представляют определенную угрозу для безопасности их функционирования и находящихся там людей. Наиболее масштабного развития оползневая проблема приобрела в г. Осинники Кемеровской области, где в течение нескольких десятилетий осуществлялась подработка склонов горными выработками шахты «Капитальная», в настоящее время «Осинниковская» (рис. 2). Горные работы спровоцировали появление активных оползневых тел на склонах крутизной более 6°. Все выявленные на склонах оползни были приурочены к участкам с углами 6...140, где они смещались практи-
1 3
чески непрерывно со скоростями от 10 до 10 мм/мес в зависимости от крутизны склона и времени года. Обычная скорость оползневого процесса летом составляет порядка 10 мм/сут, а в осенне-зимний период снижается до 1 мм/сут. В период прогрессирующего развития оползней скорость смещений достигали 10 мм/сут. При непосредственной подработке нестабильных склонов горизонтальные деформации и их скорости увеличиваются в 2-5 раз, а затем снижаются по мере затухания процесса сдвижения. Выявлено влияние направления движения забоя лавы по отношению к
склонам. При вхождении лавы под склон горизонтальные смещения на 30.. .50 % больше по сравнению с ситуацией, при которой лава выходит из-под склона.
Абс. отм., м
св
Четвертичная система. Делювиальные (ёгу): 1 - суглинки и глины с гравием, дресвой, иногда без включений. Аллювиальные (агу): 2 - суглинки с гравием и галькой; 3 - глины с редким гравием и без включений; 4 - галечниковые грунты с песчаным, супесчаным и глинистым заполнителем. Деляпсивные (Шгу): 5 - суглинки с дресвой, гравием, щебнем. Техногенные 1;гу: 6 - насыпные суглинки и щебень. Юрская система нижний отдел Осиновская свита (11о8): 7 - конгломераты выветрелые; 8 - песчаники выветрелые, слабосцементированные.
Выполненные исследования позволили обосновать оползневую концепцию, учитывающую установленные закономерности развития оползневых процессов при совместном влиянии природных и техногенных дестабилизирующих факторов [11]. Природная обстановка оползнеопас-ных районов располагает к развитию оползней покровного типа, которые могут происходить в виде смещения четвертичных отложений по контакту с коренными породами, либо по слабым слоям, расположенным внутри покровной толщи. Однако в районах, находящихся вне зоны влияния горных работ, оползни распространены ограниченно. Благодаря естественной макропористости и повышенной проницаемости влажность ненарушенных покровных отложений всегда остается низкой, консистенция твердой, а наличие жестких связей - придает им дополнительный запас устойчивости. Причинами активизации склоновых процессов является: снижение прочности покровных пород за счет разрушения их естественной структуры под воздействием деформаций сжатия и растяжения в пределах мульды сдвижения; повышение уровня грунтовых вод на склонах вследствие снижения проницаемости покровных пород и нарушения условий их дренирования; повышение напоров подземных вод в основании склонов в резуль-
тате оседания земной поверхности; увеличение углов наклона поверхности в пределах мульды сдвижения.
Дестабилизация склонов на начальных этапах ведения горных работ выражается в виде повсеместного развития процессов ползучести, переходящих со временем на локальных участках в оползневые смещения с прогрессирующим характером развития. В результате устранения сдерживающего влияния цементационных связей состояние деструктурированных пород трансформируется в неустойчивое, при котором снижение эффективных напряжений, вызванное повышением уровня грунтовых вод, сопровождается увеличением влажности пород и их разуплотнением до состояния мягкопластичной и текучей консистенции. Эти изменения происходят не по всей мощности покровных отложений, а только в зоне сдвига - на глубине порядка 3.8 м, где зафиксировано наличие «слабого слоя». Деструктурированные водонасыщенные породы, находясь на склонах в состоянии, близком к предельному равновесию (при углах заложения склонов, близких к углам их внутреннего трения), постоянно деформируются по типу установившейся ползучести с переменной скоростью, зависящей от сезонного колебания уровней подземных вод.
Гидроотвалы на подработанных территориях. При подземной разработке угля в Кузбассе зачастую возникают ситуации, разрешение которых требует выполнения оценок устойчивости подпорных конструкций гидротехнических сооружений, находящихся в зоне влияния очистных горных работ. Данные объекты широко распространены в регионе, иногда располагаются в пределах горных отводов шахт и зачастую входят в их инфраструктуру. К ним относятся хвостохранилища углеобогатительных фабрик, отстойники шахтных вод, иллонакопители и пр. Кроме того на разрезах, осуществляющих открытую разработку угля, для размещения вскрышных пород используются гидроотвалы. За годы применения гидромеханизации в Кузбассе сформировано около 60 гидроотвалов, которые характеризуются площадями от 10 до 900 га при высотах дамб и плотин от 5 до 77 м большой протяженности, достигающей в отдельных случаях 6 км. Подработка гидроотвалов может привести к нарушению устойчивости их откосов, спровоцировав развитие гидродинамических аварий - неконтролируемого выброса за пределы сооружения воды и водонасыщенной породы, возникновения чрезвычайной ситуации, связанной с их растеканием на больших территориях, многочисленными разрушениями, гибелью людей и животных.
Изучение влияния подработки на устойчивость подпорных конструкций гидротехнических сооружений проводилось на одном из крупнейших намывных объектов бассейна - гидроотвале на реке Еловка [13]. Данное сооружение на участке сопряжения основной и боковой ограждающих дамб подрабатывалось тремя лавами шахты «Байкаимская». В частности, лавой №14 был подработан низовой откос дамб и проходящий вдоль него
водоотводной канал. Лава характеризовалась следующими параметрами: вынимаемая мощность пласта 4,9 м, размеры вкрест и по простиранию соответственно 220 и 910 м, глубина отработки - от 220 до 310 м. Выполненными маркшейдерскими измерениями и расчетами установлена максимальная величина оседания 2,39 м при длине полумульды по простиранию 337 м. Наблюдениями зафиксировано, что при таких параметрах мульды сдвижения устойчивость откоса была обеспечена.
Для данных горно-геологических условий подземной отработки угля участка шахты и инженерно-геологического строения гидроотвала выполнялся комплекс расчетных исследований влияния подработки на устойчивость откосов с применением аналитических методов предельного равновесия и численного моделирования МКЭ. При этом рассматривались различные ситуации развития очистных работ относительно дамб - в направлении на откос, из-под откоса и параллельно откосу. Кроме того, учитывались параметры сдвижения через изменение геометрии откосов и де-прессионной поверхности в техногенном массиве, а также уменьшение прочности пород и возрастание в них порового давления в зоне развития деформаций сдвижения. В результате выполненных расчетов установлены закономерности изменения коэффициентов запаса устойчивости к) подрабатываемых откосов гидроотвала в зависимости от различных факторов влияния и их сочетаний, а также выбранных трех направлений отработки лавы [13]. При развитии очистных работ в направлении на откос на первых этапах подработки наблюдается уменьшение ниже нормативного, а затем происходит его восстановление до первоначальных значений. В случае подработки гидроотвала в направлении из-под откоса наблюдается обратная тенденция. Наиболее неблагоприятные условия устойчивости в обоих случаях наблюдаются при непосредственной подработке нижней части откоса - призмы упора. Подработка верхней части откоса - призмы активного давления, напротив, дает положительный результат в плане улучшения его устойчивости. Однако при совокупном влиянии всех факторов в большинстве случаев подработка гидроотвала ухудшает его устойчивость и предопределяет необходимость проведения мероприятий по предотвращению опасных оползневых деформаций.
Особым фактором влияния на устойчивость подрабатываемых откосов гидроотвалов является избыточное поровое давление, возникающее в водонасыщенных слабопроницаемых породах в зоне объемного сжатия при формировании мульды сдвижения. Для прогноза процесса эволюции напряженно-деформированного состояния (НДС) водонасыщенных пород в данных условиях использовалось численное моделирование МКЭ. При определенных параметрах отработки угольного пласта под гидроотвалом в породах его откоса и основания установлен факт формирования избыточного порового давления с максимальным значением 33 кПа (рис. 3). При этом образовавшаяся в породных массивах зона избыточного давления
продвигается вперед вместе с очистным забоем, а позади происходит его постепенное рассеивание со скоростью, зависящей от интенсивности ведения очистных работ и коэффициента фильтрации пород.
Р, кПа
Рис. 3. Распределение избыточного порового давления в откосе: красный - 35 кПа; синий - 5 кПа
Изучение сдвижения горных пород. Рассмотренные выше геомеханические явления в техногенных и естественных массивах происходили на фоне развития в подрабатываемых массивах сдвижения горных пород при извлечении из недр угольных пластов. Прогнозирование данного процесса при отработке угольных месторождений в России принято осуществлять в соответствии с нормативно-методическим документом ВНИМИ [12], где в качестве базового принят метод типовых кривых, полученных многочисленными натурными наблюдениями в различных горногеологических условиях разработки угольных месторождений. Предложенная методика достаточно хорошо себя зарекомендовала в практике расчетов сдвижений горных пород, дает хорошую сходимость с результатами натурных измерений, даже в условиях возрастания геометрических параметров отработки и высоких скоростей проходки. Однако для решения сложных геомеханических задач, таких как влияние процесса сдвижения на наземные техногенные и природные объекты, предпочтение следует отдавать численному моделированию напряженно-деформированного состояния пород в природно-технической системе (ПТС) «очистная выработка - подработанный массив - природный или техногенный объект» [1, 3, 4,
7].
Применительно к условиям шахты им А. Д. Рубана выполнен опытно-промышленный эксперимент по натурному изучению сдвижения при проходке пионерной лавы №812 на участке «Магистральный». В процессе отработки лавы, характеризующейся длиной 300 м и вынимаемой мощностью пласта 4,2 м, проводились наблюдения за деформациями земной по-
верхности и массива по грунтовым и глубинным реперам. Они позволили определить деформации при формировании мульды сдвижения и рассчитать параметры исследуемого геомеханического процесса. Выполнено сопоставление измеренных параметров сдвижения с рассчитанными по нормативу. Установлена достаточно хорошая сходимость величин максимальных оседаний 3,18 м с прогнозными 3,01 м. Зарегистрировано отклонение на 40 м центров измеренной и рассчитанной мульд сдвижения. Кроме того, определена фактическая ширина образовавшейся мульды сдвижения вкрест простирания выработки 533 м, которая оказалась на 37 м шире рассчитанной по нормативу. Фактические значения граничных углов, полученных путем обратного построения границ зоны влияния очистной выработки, составили р0 = 63,5°; у0 = 66,2°, а угол максимального оседания - 0 = 77,2°. Сопоставительный анализ прогнозной и фактической мульды сдвижения по простиранию показывает, что качественно результаты эксперимента повторяют типовое распределение. Однако в активной стадии деформационного процесса наблюдается отставание фактического оседания от нормативного со сдвигом в сторону примерно на 40 м, поэтому динамическая мульда получается шире при неизменном угле сдвижения (50), а угол максимального оседания у3 становится равным 44°, что на 6° меньше нормативного значения 50° для Кузбасса.
С учетом результатов опытно-промышленного эксперимента при отработке лавы № 812 рассмотрена возможность прогнозирования процесса сдвижения горных пород с применением численного моделирования МКЭ. Разработана методика моделирования очистной выработки в виде полости, удаляемой на определенном расчетном шаге с последующим перераспределением напряжений в массиве. Подработанный массив при этом разбивается на зоны «полного обрушения», «нарушенного трещинами» и «ненарушенного сложения», положение которых зависит от размеров выработки (рис. 4).
-400
0,0
й, -0,5
Н и
° -1 0
и &
и
Я -1,5
о -2,0 %
и
* -2 5 и ^ В
и
° -3,5 Рис.
-300
-200
Координата X, м
-100 0 100
200
300
400
—•—Натурные данные -АЬачш (РЕ) -Abaqus (Е) -ПБ 07-269-98
5. Сравнение мульд сдвижения, полученных при моделировании и по нормативной методике с натурными данными: Е - упругая и РЕ - упругопластическая модель
Механические свойства пород зоны «полного обрушения» характеризовались отсутствием сцепления и пониженным модулем деформации. Для описания деформационного поведения подработанного массива использовалась модель идеально упругопластичной среды. Моделирование проводилось в плоскодеформационной постановке в рамках механики сплошных сред на программном комплексе Abaqus/CAE.
Сравнение полученных при моделировании мульд сдвижения результатов с натурными данными и нормативной кривой (рис. 5) позволило установить, что сходимость между результатами численного моделирования и фактическими замерами достигается при применении упругопласти-ческой модели, основанной на условии пластичности Кулона-Мора, с разделением массива на зоны с различным деформационным поведением.
Полученные мульды сдвижения предложенными методами показали удовлетворительную сходимость между результатами моделирования и натурными данными, что позволяет рекомендовать применение данной методики для прогноза сдвижения горных пород.
Заключение. Таким образом, выполненный анализ подработки естественных и техногенных массивов горных пород подземными горными выработками при разработке угольных месторождений позволил обозначить возникающие научно-технические проблемы, связанные необходимостью выполнения оценки и прогноза развития геомеханических процессов и явлений, таких как провалы, оползни естественных склонов и откосов техногенных сооружений, а также сдвижения горных пород.
Применительно к условиям шахты им. А.Д. Рубана выполнена оценка развивающихся на поверхности земли и в верхней части породного массива провалов. Предложена их типизация с выделением 4 типов, каждый из которых отражает последовательное и поступательное их развитие в зависимости от этапа подработки, ее кратности и параметров сдвижения. Установлены основные причины провалообразования, которыми, кроме сдвижения горных пород, следует считать наличие в верхней части разреза подрабатываемой толщи лессовидных суглинков, характеризующихся «псевдохрупким» разрушением, макропористостью и просадочностью при замачивании водой.
Подработка естественных склонов в предгорных районах с холмистым рельефом при наличии толщи покровных суглинков сопровождается развитием оползней. Их изучение выполнено для условий г. Осинники, под некоторыми участками территории которого шахтами велась добыча угля. Исследованиями установлено, что оползневые смещения от подработки происходят на склонах с углами 6 ... 14°. Естественно, что причиной их образования является подземная разработка угля через развитие в покровных суглинках процесса сдвижения, а также происходящих в них трансформаций фазо-физическое состояния и свойств пород при снижении эффективных напряжений, вызванных повышением уровня грунтовых вод, сопровождается увеличением влажности пород и их разуплотнением до состояния мягкопластичной и текучей консистенции.
Нахождение гидротехнических сооружений на подрабатываемых территориях предопределяет постановку важнейшей проблемы обеспечения их безопасности и устойчивости. Применительно к условиям гидроотвала на реке Еловка и шахты «Байкаимская» рассмотрены различные варианты ведения горных работ под откосами сооружения. Установлено на основании геомеханических расчетов и численного моделирования влияние на устойчивость факторов, учитывающих относительное расположение откосов сооружения и горных выработок, направление развития очистных работ, параметры сдвижения, изменения прочности пород и гидродинамического режима техногенного породных массивов в зоне развития деформаций.
Выполненный опытно-промышленный эксперимент при отработке пионерной лавы на участке Магистральный шахты им. А. Д. Рубана позволил произвести натурные изучения сдвижения горных пород и сравнить полученные результаты с рассчитанными по нормативной методике и численным моделированием. Полученные мульды сдвижения различными методами показали удовлетворительную сходимость между собой, что позволяет рекомендовать метод численного моделирования НДС для прогноза сдвижения горных пород, особенно при решении научно-технических задач оценки и прогноза провалов и оползней на естественных и техногенных откосах.
Список литературы
1. Corkum A.G., Board M.P. Numerical analysis of longwall mining layout for a Wyoming Trona mine // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2016. Vol. 89. Р. 94-108.
2. Fathi Salmi E., Nazem M., Karakus M. Numerical analysis of a large landslide induced by coal mining subsidence // Engineering Geology. 2017. Vol. 217. Р. 141-152.
3. Keilich W. Numerical modelling of mining subsidence, upsidence and valley closure using UDEC: PhD Thesis. University of Wollongong, 2009. 380 p.
4. Suchowerska Iwanec A.M., Carter J.P., Hambleton J.P. Geomechanics of subsidence above single and multi-seam coal mining // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2016. Vol. 8. N.3. Р. 304-313.
5. Surface collapse control under thick unconsolidated layers by backfilling strip mining in coal mines/ F.Wang, B.Jiang, S.Chen, M.Ren // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2019. Vol. 113. Р. 268-277.
6. Failure process and modes of rockfall induced by underground mining: A case study of Kaiyang Phosphorite Mine rockfalls / D.Zheng, J.D.Frost, R.Q.Huang, F.Z.Liu // Engineering Geology. 2015. Vol. 197. Р. 145-157.
7. Бахаева С.П., Гурьев Д.В. Прогноз параметров дамбы на основе моделирования напряженно-деформированного состояния откоса // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2016. № 1 (113). С. 12-17.
8. Зеленцов С.Н., Кутепов Ю.Ю., Боргер Е.Б. Изучение провалов и механизма их образования на подрабатываемой земной поверхности шахты им. А.Д. Рубана // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2017. № 5. С. 271-280.
9. Казанин О.И., Мустафин М.Г., Мешков А.А. Анализ причин провалов земной поверхности при отработке угольного пласта Байкаимский на шахте «Красноярская» ОАО «СУЭК-Кузбасс» // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2013. № 4. С. 257-261.
10. Обоснование безопасных условий подземной отработки свиты угольных пластов под гидроотвалом / Ю.И. Кутепов [и др.] // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2018. №8. С. 217-226.
11. Кутепова Н.А. Закономерности оползневых процессов на подрабатываемых территориях // Геоэкология. 2005. №5. С. 431-441.
12. ПБ 07-269-98. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях: утв. Минтопэнерго РФ 16.03.1998П: ввод. в действие с 01.10.1998. СПб.: ВНИМИ, 1998. 291 с.
13. Протосеня А.Г., Кутепов Ю.Ю. Прогноз устойчивости гидроотвалов на подрабатываемых подземными горными работами территориях // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2019. № 3. С. 97-112.
14. Ягунов А. С. Закономерности сдвижения горных пород в Кузбассе. СПб: ВНИМИ, 2000. 206 с.
Кутепов Юрий Иванович, д-р техн. наук, проф., зав. лабораторией, koutepovy@,mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Кутепова Надежда Андреевна, д-р техн. наук, главный научный сотрудник, koutepovy@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Кутепов Юрий Юрьевич, инженер, koutepovy@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Саблин Максим Викторович, гл. инженер шахтоуправления им. А.Д. Рубана, koutepovy@mail.ru, Россия, Кемеровская обл., Ленинск-Кузнецкий, АО «СУЭК-Кузбасс»
GEOMECHANICAL PROCESSES DURING THE UNDERMINING OF MAN-MADE AND NATURAL ROCK MASSES
Yu.I. Kutepov, N.A. Kutepova, Yu.Yu. Kutepov, M.V. Sablin
The article suggests the analysis of different geomechanical processes, developing in natural and man-made masses during the underground mining of coil deposits in the Kuzbass. Using the example of the mine named after A.D. Ruban, extracting three coal seams with the total thickness of about 10 m, conditions and reasons of the formation of sinkholes and ground failures are considered. It is shown that the undermining of natural slopes in piedmont territories with the undulating topography is accompanied by landslide processes and occurrences. The problem of stability of hydraulic engineering structures on undermined territories is considered, results of computational studies for the conditions of the hydraulic-mine dump on the river Elovka, undermined by the Baikaimskaya shaft, are given. The technique of FEM numerical simulation of the strata movement is suggested. The comparison of simulation results with the reference method and field data, obtained during the industrial experiment, was made.
Key words: geomechanical processes, subsidence, sinkhole, coal deposits, slope stability, landslides, hydraulic-mine dump, numerical simulation, Kuznetsk Basin.
Kutepov Yury Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, head of a laboratory, koutepovy@mail.ru, Russia, Saint Petersburg, Saint Petersburg Mining University,
Kutepova Nadezhda Andreevna, doctor of technical sciences, chief research worker, koutepovy@mail.ru, Russia, Saint Petersburg, Saint Petersburg Mining University,
Kutepov Yury Yurievich, engineer, koutepovy@mail.ru, Russia, Saint Petersburg, Saint Petersburg Mining University,
Sablin Maksim Viktorovich, chief engineer, koutepovy@mail.ru, Russia, Kemerovo region, Leninsk-Kuznetskiy, JSC «SUEK-Kuzbass»
Reference
1. Corkum A. G., Board, M. P. Numerical analysis of longwall mining layout for a Wyoming Trona mine / International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. Vol. 89, 2016. R. 94-108.
2. Fathi Salmi E., Nazem M., Karakus M. Numerical analysis of a large landslide induced by coal mining subsidence // Engineering Geology. Vol. 217. 2017. R. 141-152.
3. Keilich, W. Numerical modelling of mining subsidence, upsidence and valley closure using UDEC: PhD Thesis // University of. Wollongong, 2009. 380 p.
4. Suchowerska Iwanec A. M., Carter J. P., Hambleton, J. P. Geomechanics of subsidence above single and multi-seam coal mining // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. Vol. 8, No.3, 2016. R. 304-313.
5. Wang F., Jiang B., Chen S., Ren M. the collapse control Surface under thick unconsolidated layers by backfilling of strip mining in coal mines // international Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. Vol. 113. 2019. R. 268-277.
6. Zheng D., Frost J. D., Huang R. Q., Liu F. Z. Failure process and modes of rockfall induced by underground mining: A case study of Kaiyang Phosphorite Mine rockfalls // Engineering Geology. Vol. 197. 2015. R. 145-157.
7. Bagaeva, S. P., Guryev D. V. Prediction of parameters of the dam based on modeling of stress-strain state of the slope // Bulletin of the Kuzbass state technical University. 2016. No. 1 (113). P. 12-17.
8. Zelentsov S. N., Kutepov Yu. Yu., Borger E. B. the Study of failures and the mechanism of their formation on the moonlighting surface of the mine. A. D. rubana / / Mountain information and analytical Bulletin (scientific and technical journal). 2017. No. 5. P. 271-280.
9. Kazanin O. I., Mustafin M. G., Meshkov A. A. Analysis of reasons of failures of the earth's surface when mining coal seam baikaimsky mine "Krasnoyarsk", OAO "SUEK-Kuzbass" // Mountain information-analytical Bulletin (scientific and technical journal). 2013. No. 4. P. 257-261.
10. Substantiation of safe conditions for underground mining of coal seam formation under the hydraulic dump / Yu. I. Kutepov [et al.] / / Mining information and analytical Bulletin (scientific and technical journal), 2018. No. 8. P. 217-226.
11. Kutepov N. And. Regularities of landslide processes on undermined territories // Geoecology, 2005. No. 5. P. 431-441.
12. PB 07-269-98. Rules for the protection of structures and natural objects from the harmful effects of underground mining in coal fields: UTV. Mintopenergo RF 16.03.1998 : enter. with effect from 01.10.1998. SPb.: VNIMI, 1998. 291 p
13. Protosenya A. G., Kutepov Yu. Yu. Forecast of stability of hydraulic dumps on the territories worked by underground mining operations / / Mining information and analytical Bulletin (scientific and technical journal), 2019. No. 3. P. 97-112.
14. Yagunov, A. S., Patterns of displacement of rocks in Coos bass // St. Petersburg: VNIMI, 2000. 206 p.
