CC BY
0
4. Filonov I.P. Innovations in mechanical engineering technology: Textbook / I.P. Fi-lonov, I.L. Barshai. Minsk: Higher School, 2009. 110 p.
5. Development of technology for the production of pipes with internal corrugation at the Revdinsky OCM plant / A. G. Titova, A. S. Ovchinnikov, A. M. Temchenko [etc.] // Non-ferrous metals. 2005. No. 12. P. 89-94.
6. Pavlov E.I. Justification and selection of rational parameters for the corrugation of the inner surface of the body of vertical screw conveyors: specialty 05.05.04 "Road, construction and hoisting and handling machines": abstract of the dissertation for the degree of candidate of technical sciences. Novocherkassk, 2011. 20 p.
7. Yakovlev S.S., Galkin Yu.S., Gribachev Ya.V. Development of a new method for obtaining a corrugated external surface of a product // News of the Tula State University. Technical science. 2024. No. 3. pp. 229-231.
8. Yakovlev S.S., Galkin Yu.S., Gribachev Ya.V. Development of software for determining the technological forces of corrugation and material waste // News of the Tula State University. Technical science. 2024. Issue. 3. pp. 236-238.
9. Malyshev A. N. Development of an upper-boundary model of the drawing operation in a conical matrix of low square boxes made of transversally isotropic material // News of Tula State University. Technical science. 2024. Issue. 2. pp. 317-319.
10. Ershov A. A., Kotov V. V., Loginov Y. N. Capabilities of QForm-extrusion based on an example of the extrusion of complex shapes // Metallur-gist. 2012. Vol. 55, No. 9-10. P. 695-701.
УДК 622.834: 622.224
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПОРОДНОГО МАССИВА И СДВИЖЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА ЭТАПАХ ОТРАБОТКИ ПОЛОГИХ
УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
Л. А. Чепурная
В соответствии с геомеханическими закономерностями разработана обобщенная схема сдвижения земной поверхности на этапах очистных работ. На основании теоретических исследований геомеханического процесса сдвижения породного массива и поверхности введены геодинамические параметры: показатель сдвижения и коэффициент породного массива. Методом статистической обработки экспериментальных данных по шахтам с различной маркой угля определены безопасные условия начала сдвижения земной поверхности. По геодинамическим параметрам возможно прогнозирование начала и скорости сдвижения поверхности на активной стадии. Обоснованы зависимости геодинамических параметров деформирования породного массива и сдвижения земной поверхности от основных горно-геологических и горнотехнических факторов влияния. Достоверность результатов исследований подтверждена на 10 шахтах.
Ключевые слова: породный массив, очистные работы, сдвижение, этапы, статистический анализ, показатель сдвижения, геодинамические параметры, начальные условия, безопасность подработки.
Введение
Современные системы разработки угольных пластов различных марок характеризуются значительными размерами выемки, высокой скоро-
стью подвигания лав, глубиной ведения очистных работ, неоднородным строением породной толщи, что предопределяет развитие сложного гео-мехнического процесса сдвижения горных пород и земной поверхности. Оседание земной поверхности вызывает опасные деформации расположенных на угленосных территориях зданий, сооружений и природных объектов.
Параметры сдвижения земной поверхности при отработке угольных пластов рассчитываются по нормативному документу [1]. Согласно этим расчетам устанавливаются размеры очистных выработок (выработанных пространств), при которых происходит формирование мульды сдвижения на земной поверхности. Известные способы определения параметров сдвижений и деформаций массива пород и поверхности основаны на экспериментальных данных закончившегося процесса сдвижения для конкретных горно-геологических условий, что значительно ограничивает их использование на других месторождениях [1 - 4]. При этом используются только граничные параметры и граничные углы сдвижения без учета динамических показателей развития геомеханического процесса. Однако на различных этапах развития очистных работ параметры и закономерности процесса сдвижения породной толщи и поверхности существенно отличаются между собой, что необходимо учитывать при решении горнотехнических задач. Особенно важно предварительно прогнозировать динамику развития геомеханического процесса, так как именно активная стадия сдвижения поверхности определяет безопасность подработки горных пород.
Таким образом, исследование развития геомеханического процесса и определение геодинамических параметров сдвижения подработанных пород и земной поверхности на всех этапах очистных работ является актуальной научно-практической задачей.
Цель работы - исследование геодинамических параметров деформирования породного массива и сдвижения земной поверхности на этапах отработки пологих угольных пластов.
Методы научных исследований.
Научные исследования выполнялись на основании комплексной методики: анализ горно-геологических и горнотехнических условий разработки угольных пластов по исследуемым объектам; аналитические исследования геомеханического процесса сдвижения породного массива и земной поверхности; статистический и корреляционно-регрессионный
анализ фактических данных сдвижения земной поверхности и обоснование геодинамических параметров на этапах отработки угольных пластов.
Результаты исследований.
В породном массиве в соответствии с принципом суперпозиции одновременно развиваются два субортогональных процесса -геотехнологический и геомеханический [5, 6]. Данные процессы взаимосвязаны через общие горно-геологические и горнотехнические факторы влияния. Геомеханический процесс сдвижения породного массива рассматривается в зависимости от степени развития очистных работ. Причем характеризовать динамику сдвижения породного массива возможно через параметры оседания земной поверхности [7].
В соответствии с общими закономерностями развития геомеханического процесса разработана обобщенная схема (рис. 1), отражающая динамику сдвижения подработанного породного массива и земной поверхности до и после образования плоского дна мульды [8].
Согласно приведенной схемы I этапу очистных работ соответствует начало сдвижения земной поверхности, которое происходит в точке А при удалении очистного забоя от разрезной печи на некоторое расстояние Ьн. Начальный параметр Ьн определяется структурно-прочностными свойствами пород /, скоростью подвигания очистного забоя Уоч, вынимаемой
мощностью разрабатываемого пласта т и глубиной ведения работ Н. Определение расстояния Ьн является возможным только после экспериментального установления вида закономерности максимального оседания земной поверхности. Точка пересечения графика функции цт = ф(Ь) с
осью абсцисс (?]т = 0) будет соответствовать началу сдвижения земной поверхности.
Для установления соотношения параметров геотехнологического и геомеханического процесса сдвижения рассмотрен геодинамический критерий
н • V.
Ьн • V
Кд . (!)
Ьк/2
Разрезная печь /
У///Ж V Гг< Ж Щ ^/////////////А
и/2
Рис. 1. Обобщенная схема сдвижения земной поверхности на этапах
очистных работ: 1,2,3,...1,...К,...Т - положения очистного забоя при его отходе от разрезной печи и соответствующие им мульды оседания земной поверхности; Р,у - граничные углы; Щн - угол полных сдвижений; Щк - конечное значение угла полных сдвижений; Пк - конечное оседание земной поверхности; Ьн, Ьк - отход очистного забоя от разрезной печи при
начале сдвижения и при полной подработке земной поверхности; Ьт - длина динамической полумульды над движущимся очистным забоем
На первом этапе очистных работ анализ геодинамического критерия показывает, что при Кд = 1 геомеханические процессы сдвижения пород достигают земной поверхности. На основании этого установлена зависимость расстояния от разрезной печи до забоя, соответствующая началу сдвижения поверхности, от параметров породного массива и скорости геотехнологического процесса
К = ТТН . (2)
г
Если глубина отработки угольного пласта Н большая, высокая степень метаморфизма и, следовательно, прочность пород стс, большой шаг первичного обрушения пород, то геодинамический критерий будет меньше единицы (Кд < 1) для заданного расстояния Ьн. Поэтому геомеханический процесс сдвижения не достигает земной поверхности. И наоборот, если породный массив слоистый, породы слабые, легко сдвигаемые, малая глу-
бина отработки, а мощность пласта большая, то при отходе лавы на небольшое расстояние процессы сдвижения достигают поверхности и Кд > 1.
При формировании мульды сдвижения на II этапе развития очистных работ по мере удаления очистного забоя от разрезной печи процессы сдвижения переходят в активную стадию. Зависимость максимального оседания т^т от размеров очистной выработки Ь описывается кривой 4
(рис. 1). Полная подработка земной поверхности наблюдается при удалении очистного забоя от разрезной печи на расстояние более Ьк.
Основной динамической характеристикой геомеханического процесса сдвижения горных пород над очистной выработкой является скорость деформирования породного массива Уг, которая определяется во взаимосвязи со скоростью очистных работ ¥оч при подвигании очистного забоя на АЬ
(3)
г А . \ т оч
А? АЬ
Исходя из закономерности оседания поверхности, введен обобщенный показатель сдвижения породного массива и земной поверхности, который характеризует динамику развития геомеханического процесса на этапах очистных работ, определяется строением и прочностными свойствами подработанной породной толщи и равен тангенсу угла наклона участка АВ, соответствующего активной стадии, к горизонтали [9]
= %. (4)
АЬ
Поэтому с учетом структурно-прочностных свойств породного массива стационарная скорость сдвижения земной поверхности определяется по формуле
V = К • 18« • Кч, (5)
а критерием выхода на поверхность деформаций породного массива над очистной выработкой есть условие
- (6)
Н К •
где Ьн - расстояние от разрезной печи до забоя, соответствующее началу сдвижения земной поверхности; Н - глубина ведения очистных работ; кп - коэффициент породного массива; - обобщенный показатель сдвижения породного массива.
На основании корреляционного анализа фактических данных сдвижения поверхности получена формула для определения показателя породного массива для конкретных горно-геологических и горнотехнических условий отработки пологих угольных пластов
К • Ща =---. (7)
п (0,16 + 0,09т)(0,40 - 0,0033Уоч)
Вычисления коэффициента породного массива и сопоставление результатов в различных геотехнических условиях приведены в табл. 1. Анализ результатов показывает, что расчеты по формуле (7) коэффициента породного массива возможны с погрешностью не более 8... 10 %.
Таблица 1
Результаты расчета коэффициента породного массива
Шахта, пласт, литературный источник Марка угля m, м Н, М Уоч, м/мес Lh, м Lh H tga, мм/м кп
«Степная», Сб, (лава 606) [12] Г 1,10 120 55 37 0,30 12,6 0,36
Им. Г. Г. Капустина, [2] Г 2,10 260 90 31 0,12 5,2 1,39
«Юбилейная» Сб (лава 605, 607), [12] Г 0,71 250 49 55 0,22 3,6 1,35
«Юбилейная», С1 (2-я вост. лава), [12] Г 1,00 135 50 34 0,25 5,7 0,77
Им. П. Л. Войкова, к 1, [10] А 1,00 700 50 170 0,25 0,94 4,71
Им. М. В. Фрунзе, Й8, [11] А 1,40 900 60 187 0,21 0,78 5,77
На основании статистического и корреляционно-регрессионного анализа фактических данных сдвижения земной поверхности на всех этапах отработки пологих угольных пластов была получена сложная зависимость обобщенного показателя сдвижения tga от условий очистных работ. Для примера показана частная зависимость показателя сдвижения tga от параметра Н/т (рис.2).
(н V1'4 l-tga = 10580- —+ 46 г =-0,972
Li
я
\i
i ■ — ■
0 100 200 300 400 500 600 Н/т
Рис. 2. График зависимости показателя сдвижения tga от параметра Н/т
По полученным экспериментальным и расчетным значениям показателя сдвижения поверхности было составлено поле распределений tga в зависимости от основных горно-геологических и горнотехнических факторов влияния. Выявлено изменение значений показателя сдвижения: прямо пропорционально в зависимости от мощности пласта (0,63...3,0 м) и обратно пропорционально от глубины (50...900 м) и средневзвешенного коэффициента крепости горных пород (4... 10). Также наблюдается незначительная тенденция уменьшения tga при увеличении скорости движения забоя. Поэтому для показателя сдвижения породного массива, возможно, записать эмпирическую зависимость
т
Х%а = а-, (8)
/ • Н
где а - эмпирический параметр; / - средневзвешенный коэффициент крепости горных пород.
Параметры условий отработки угольных пластов и анализ показателя сдвижения приведены в таблице 2. В общем случае с учетом отклонения получено, что а = 5170 ± 310, а для практических расчетов с точностью до 12 % принимаем а = 5,2 103.
По полученным данным был проведен анализ геодинамических параметров и развития геомеханического процесса сдвижения горных пород для 10 шахт. Согласно геодинамическому критерию соотношения геомеханического и геотехнологического процессов, сдвижение породного массива достигает поверхности при выполнении условия (6).
Например, для антрацитовых шахт, используя данные табл. 1, 2, установили, что условие (6) для параметров по шахте им П. Л. Войкова составляет Ьн Н > 0,23. По экспериментальным данным получено, что Кн ¡Н = 0,24. Следовательно, процесс сдвижения породной толщи при отработке лавы на этой шахте достигает поверхности. Однако геомеханический процесс развивается медленно и плоское дно мульды пока не образуется.
Таблица 2
Условия отработки угольных пластов и расчетные значения показателя сдвижения и эмпирического параметра а
Шахта, пласт, источник Н / т /сР tana а аср Аа %
Им. П. Л. Войкова, к5, [10] 654,2 9 0,94 5357 5170 187 3,6
«Юбилейная», С1 (2-я вост. лава), [12] 142,1 6 5,7 4859 311 6,0
Им. Г.Г. Капустина, т3, [2] 123,8 7 5,2 4506 664 12,8
«Степная», С6 (лава 606), [12] 114,3 4 12,6 5760 590 11,4
Им. М. В. Фрунзе, к8, [11] 642,8 10 0,78 4937 233 4,5
«Юбилейная» С'б (лава 605, 607), [12] 357,1 4 3,6 5142 28 0,5
Аналогичные расчеты выполнили при отработке пластов в условиях шахты им. М. В. Фрунзе. В соответствии с горно-геологическими и горнотехническими условиями получено значение критерия Ьн /Н > 0,22. По
фактическим результатам определено Ьп/ Н = 0,21. Это означает, что процесс сдвижения породного массива почти достигает поверхности, а активная стадия еще не развивается.
Таким образом, проведенные исследования геодинамических параметров сдвижения земной поверхности на этапах отработки пологих угольных пластов позволили характеризовать геомеханический процесс сдвижения породной толщи через параметры очистных работ и определить условия безопасной подработки поверхности.
Выводы
1. Исходя из геодинамического критерия геотехнологического процесса, определены условия начала сдвижения земной поверхности, согласно которому по фактическим данным сдвижения поверхности в различных горно-геологических условиях найдены параметры начала оседания земной поверхности на первом этапе очистных работ. Доказано, что начало сдвижения поверхности определяется глубиной ведения работ и структурно-прочностными свойствами породного массива.
2. Анализ межфакторных связей процесса сдвижения земной поверхности позволил установить, эмпирическую зависимость для определения коэффициента породного массива с погрешностью не более 10 %.
3. Для всех этапов отработки пологих угольных пластов по исследуемым шахтам рассчитаны показатели сдвижения породного массива и земной поверхности. Обосновано, что показатель сдвижения имеет обратную зависимость от глубины и крепости горных пород, и прямо пропорциональную - от мощности пласта.
4. Фактические данные сдвижения поверхности на различных этапах очистных работ подтверждают обоснованность обобщенной схемы формирования мульды сдвижения до и после образования плоского дна, а также позволяют с высокой достоверностью определять показатель сдвижения и коэффициент породного массива с учетом геотехнологических параметров очистных работ.
Список литературы
1. ПБ 07-269-98. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. СПб. : Межотраслевой науч. центр ВНИМИ, 1998. 291 с.
2. Иофис М. А., Шмелев А. И. Инженерная геомеханика при подземных разработках. М.: Недра, 1985. 248 с.
3. Cheng H. A, Zhang L., Guo L. New Dynamic Prediction Model for Underground Mining Subsidence Based on Inverse Function of Unstable Creep // Advances in Civil Engineering, 2021. P. 1-9.
4. Tan X. Extraction of Irregularly Shaped Coal Mining Area Induced Ground Subsidence Prediction Based on Probability Integral Method // Appl. Sci., 2020. 10(18). 6623.
5. Борзых А. Ф. Процессы подземных горных работ. Донецк: Норд-пресс, 2009. 342с.
6. ПетрукЕ. Г. Управление деформационными процессами в динамической мульде сдвижения при подземной разработке пологих угольных пластов: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Днепропетровск, 1994. 34с.
7. Гавриленко Ю. Н., Папазов Н. М., Морозова Т. В. Динамика оседаний земной поверхности при большой глубине разработки и высокой скорости подвигания забоя // Проблемы горного давления, 2000. №4. С. 108-119.
8. Antoshchenko N. I., Chepurnaya L. A., Filatyev M. V. The calculation scheme of mathematical modeling of displacement process of a terrestrial surface by working out of coal layers // Mining of Mineral Deposits, Dniprope-trovs'k. National Mining University, 2013. P. 17-21.
9. Чепурная Л. А. О показателе сдвижения породного массива на этапах разработки пологих угольных пластов // Сб. науч. ст. X всерос. науч.-практич. конф. «Цифровизация науки и образования: современные вызовы и возможности». М: ООО «РОСТПОЛИГРАФ», 2024. С. 27-31.
10. Борзых А. Ф., Горовой Е. П. Влияние ширины выработанного пространства на активизацию сдвижения угленосного массива // Уголь Украины, 1999. №9. С. 26-30.
11. Аверин Г. А., Кирьязев П. Н., Доценко О. Г. Влияние слоистости на оседание земной поверхности // Уголь Украины, 2010. № 10. С. 34 - 35.
12. Назаренко В. О., Пилипенко П. П. Развитие оседаний земной поверхности при отходе лавы от разрезной печи // Вестник ЖДТУ, 2012. №1 (60). С. 126 - 129.
Чепурная Любовь Александровна, ст. преподаватель, [email protected] Россия, Алчевск, Донбасский государственный технический университет
RESEARCH OF GEODYNAMIC PARAMETERS OF ROCK MASSIF DEFORMATION AND TERRESTRIAL SURFACE DISPLACEMENT DURING STAGES OF GENTLY
DIPPING COAL SEAMS MINING
L. A. Chepurnaya
In accordance with geomechanical patterns, a generalized scheme for terristral surface displacement at mining stages has been developed. Based on theoretical studies of ge-
omechanical process of rock mass and surface displacement, geodynamic parameters were introduced: displacement index and rock mass coefficient. Using the method of statistical processing of experimental data from mines with different grades of coal, safe conditions for beginning of terristral surface displacement have been determined. Based on geodynamic parameters, predicting beggining and speed of surface displacement at the active stage has become possible. Dependences of geodynamic parameters of rock mass deformation and terris-tral surface displacement from main mining-geological and mining-technical influencing factors have been substantiated. The reliability of research results has been confirmed in 10 mines.
Key words: rock mass, mining operations, displacement, stages, statistical analysis, displacement index, geodynamic parameters, beginning conditions, mining safety.
Chepurnaya Lyubov Aleksandrovna, senior lecturer, lach83@,mail.ru, Russia, Alchevsk, Donbass State Technical University
Reference
1. PB 07-269-98. Rules for the protection of structures and natural objects from the harmful effects of underground mining in coal deposits. St. Petersburg : VNIMI Interdisciplinary Scientific Center, 1998. 291 p.
2. Iofis M. A., Shmelev A. I. Engineering geomechanics in underground mining. M.: Nedra, 1985. 248 p.
3. Cheng H. A, Zhang L., Guo L. New Dynamic Prediction Model for Underground Mining Subsidence Based on Inverse Function of Unstable Creep // Advances in Civil Engineering, 2021. P. 1-9.
4. Tan X. Extraction of Irregularly Shaped Coal Mining Area Induced Ground Subsidy Prediction Based on Probability Integral Method // Appl. Sci., 2020. 10(18). 6623.
5. Borzykh A. F. Processes of underground mining. Donetsk: Nord-press, 2009.
342s.
6. Petruk E. G. Control of deformation processes in the dynamic displacement mold during underground mining of shallow coal seams: abstract of the dissertation of the Doctor of Technical Sciences. Dnepropetrovsk, 1994. 34c.
7. Gavrilenko Yu. N., Papazov N. M., Morozova T. V. Dynamics of subsidence of the Earth's surface at great depth of development and high speed of bottom movement // Problems of rock pressure, 2000. No. 4. pp. 108-119.
8. Antoshchenko N. I., Chepurnaya L. A., Filatyev M. V. The calculation scheme of mathematical modeling of displacement process of a terrestrial surface by working out of coal layers // Mining of Mineral Deposits, Dnepropetrovs'k. National Mining University, 2013. P. 17-21.
9. Chepurnaya L. A. On the indicator of rock mass displacement at the stages of development of shallow coal seams // Collection of scientific articles of the All-Russian Scientific and practical conference "Digitalization of science and education: modern challenges and opportunities". Moscow: ROSTPOLIGRAF LLC, 2024. pp. 27-31.
10. Borzykh A. F., Gorovoy E. P. The influence of the width of the worked-out space on the activation of the movement of the coal-bearing massif // Coal of Ukraine, 1999. No. 9. pp. 26-30.
11. Averin G. A., Kiryazev P. N., Dotsenko O. G. The influence of layering on Subsidence of the Earth's surface // Coal of Ukraine, 2010. No. 10. pp. 34-35.
12. Nazarenko V. O., Pilipenko P. P. The development of subsidence of the Earth's surface during lava flow from a split furnace // Vestnik ZHDTU, 2012. No. 1 (60). pp. 126 -129.
