CC BY
0к.т.н. Ларченко В. Г., Коваленко Е. В., Маталкина Ю. А.
(ДонГТУ, г. Алчевск, ЛНР)
МАКСИМАЛЬНЫЕ ОСЕДАНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ПОДРАБОТКЕ НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ
Установлена необходимость корректировки действующих отраслевых «Правил подработки зданий, сооружений и природных объектов при добыче угля подземным способом» при подработке сооружений на больших глубинах, предложена формула расчёта максимальных оседаний.
Ключевые слова: максимальные оседания, деформации земной поверхности, глубина подработки, зависимость.
УДК 622.834
Проблема и её связь с научными и практическими задачами. Ежегодно увеличивается глубина разработки угольных пластов. В настоящее время на многих действующих угольных шахтах очистные работы ведутся на глубинах значительно больше 1000 м. Третья часть оставшихся в Донбассе балансовых запасов угля находится под застроенными территориями, коммуникациями и природными объектами. Безопасная подработка сооружений земной поверхности возможна принятием горных или конструктивных мер их охраны, выбор которых зависит от ожидаемых величин сдвижений и деформаций земной поверхности. Определить последние можно трудоёмкими натурными инструментальными наблюдениями, автоматизированной наблюдательной станцией [1] и вычислением по методике отраслевых «Правил подработки ...» [2], применимой при подработке на глубинах до 1000 м (и более).
Предварительные исследования [3] указывают на необходимость корректировки методик расчёта [2, 4] ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности при её подработке на больших глубинах, что является актуальной научной и практической задачей.
Постановка задачи. Задачей этапа исследований является обоснование необходимости корректировки действующих нормативных «Правил подработки ...» [2]
для расчёта ожидаемых сдвижений и деформаций подрабатываемых на больших глубинах сооружений и предложение формулы вычисления максимальных оседаний земной поверхности.
Изложение материала и его результаты. На параметры процесса сдвижений и деформаций земной поверхности влияет ряд факторов: глубина подработки, вынимаемая мощность пласта, размеры выработанного пространства, угол падения пласта, крепость пород, тектонические нарушения, способ управления кровлей, литология покрывающей толщи, нарушенность толщи первичной подработкой, кливаж и другие.
Целью этапа исследований является дифференцирование глубины подработки из многофакторного влияния на величину максимального оседания и деформации земной поверхности при подземной разработке угольных пластов.
Исследования выполнялись методом натурных наблюдений [5], математическим моделированием методом конечных элементов [6] и расчётом ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности [3, 7] по методике отраслевого стандарта Украины [2], где максимальное оседание ¡m рекомендовано вычислять по формуле
Гт = q0 • m • cosa • N1 • N2, м, (1)
Науки о земле
где qo — относительная безразмерная величина максимального оседания, принимается в зависимости от марки угля и отношения мощности четвертичных отложений h к глубине разработки Н по таблице А.1 [2]; т — вынимаемая мощность пласта, м; а — угол падения пласта, градус; N1, N2 — условные коэффициенты, характеризующие степень подработанно-сти земной поверхности, соответственно по падению и по простиранию пласта, определяемые по формулам
N =
(
0,9
Н + +ДДв
(2)
N =
0,9
+ ^дпр +^допр ], (3)
где Д1, Д2 — размеры очистной выработки соответственно по падению и по простиранию пласта, м; ДДт, ДДв, ЛДпр, ЬДопр —
поправки к относительной длине лавы за счёт целика соответственно со стороны падения, восстания, простирания и обратной простиранию (м), определяемые по таблице А.2 [2] с учётом размера целика I у соответствующей границы, средней глубины Н (от 100 м и менее до 1000 и более), марки угля и мощности наносов
С целью выделения влияния глубины разработки Н на максимальные оседания земной поверхности выполнен расчёт щт по методике [2] при Н от 100 до 1600 м и постоянных горно-геологических условиях: т=1 м, а=5°, Д1=2000 м, первичная подработка, отношение — > 0,8, — < 0,3, = 1,2 (полная Н Н Н
подработка) для углей марки антрацит (q0=0,75) и других марок ^^0,8).
Результаты вычислений г]т приведены в таблице 1, по ним построены графики зависимости г]т от Н (рис. 1).
Таблица 1
Максимальные оседания Г}т и деформации im, ет при различных Н
qo=0,75 qo=0,8
Н, м лт, м im, 1103 ^ m , 110-3 Vm , м L3, м im, 1103 ^ m ,1Ю-3
— > 0,8 H l- = 0,4 H
100 0,618 12,3 -6,7 0,741 0,798 106,4 14,2 -6,7
200 0,65 6,6 -3,4 0,742 0,798 212,8 7,10 -3,4
300 0,68 4,7 -2,2 0,749 0,798 319,2 4,80 -2,3
400 0,709 3,8 -1,84 0,757 0,798 425,5 3,72 -1,79
500 0,713 3,1 -1,5 0,764 0,798 532 3,03 -1,47
600 0,716 2,6 -1,27 0,771 0,798 638,4 2,58 -1,25
700 0,720 2,3 -1,1 0,779 0,798 744,8 2,27 -1,09
800 0,723 2,0 -0,98 0,786 0,798 851,2 2,01 -0,98
900 0,727 1,8 -0,88 0,794 0,798 957,6 1,82 -0,90
1000 0,730 1,64 -0,81 0,797 0,798 1064 1,65 -0,82
1100 0,73 1,49 -0,73 0,798 0,798 1170,4 1,50 -0,74
1200 0,73 1,37 -0,69 0,798 0,798 1276,8 1,37 -0,68
1300 0,73 1,26 -0,63 0,798 0,798 1383,2 1,27 -0,63
1400 0,73 1,17 -0,58 0,798 0,798 1489,5 1,18 -0,59
1500 0,73 1,1 -0,54 0,798 0,798 1596 1,10 -0,55
1600 0,73 1,0 -0,51 0,798 0,798 1702,4 1,0 -0,51
Науки о земле
10
12
14
16
Em, МО
гЗ
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Н.м
iE/m j
(b)
/ (i
/ (hi)
/ /
/
1 I
/ 1 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
/
/
1
I
1 im, 1'
2 4 6 8 10 12 14 16
< )
м
•10"
Рисунок 1 Графики зависимости максимальных оседаний цт , наклонов ¡т и горизонтальных
Д2
l
деформаций ет земной поверхности от Н по методике [2] при-= 1,2 , q0=O,8, — > 0,8
H
H
Анализ вычисленных по методике [2] максимальных оседаний (табл. 1) и графиков (рис. 1) показывает, что при постоян-
Д2
ном отношении = 1,2 в тех же горногеологических условиях г}т возрастает до глубины 1000 м, а с дальнейшим увеличением Н г]т остаётся постоянной величиной
и не зависит от Н, как и при -1- = 0,4 (прямая 4, рис. 1), что противоречит теории прочности и процесса сдвижения слоистой толщи горных пород.
Наглядным подтверждением этому являются вычисленные по методике [2] максимальные наклоны гх тах и горизонтальные деформации £т земной поверхности в полумульде по простиранию пласта Д2
при —— = 1,2, д0=0,8, а0=0,3 и мощности Н
наносов менее 10 м по формулам (4, 5):
ix = Y ■ S \ZX )т ■ S (Zy ),1 • 10-3, (4) L3
^x = 0,5a0 S''(Zx )m S(Zy ),1 ■ 10-3, (5)
Науки о земле
где L3 — длина полумульды по простиранию пласта, м,
L = H (ctg^o + ctg y/3 ), м,
(6)
где 30, ^з — соответственно граничный угол и угол полных сдвижений в полумульде по простиранию пласта [2]; £(2), £ '(2) , ) — значения функций, принятые интерполяцией в таблицах А.3, А.4, А.5 [2], в зависимости от вычисленных по формулам (2), (3) коэффициентов подработан-ности N1, N2; г}т — максимальное оседание земной поверхности (табл. 1). Результаты вычислений L3, im, £т сведены в таблицу 1, по ним построены кривые зависимостей im и £т от Н по методике [2] при постоянных ^ = 1,2, Д1=2000 м, т=1 м,
н
а=5° (рис. 1).
Анализ зависимости максимальных наклонов im и горизонтальных деформаций £т земной поверхности от Н (табл. 1,
рис. 1) показывает, что их значения уменьшаются на 82 % при глубине до 600 м, а от 600 м и до 1600 м снижение их величин составляет только 11 % при остальных постоянных факторах. Это убедительно свидетельствует, что действующие отраслевые методики расчёта ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности [2, 4] недостаточно учитывают влияние глубины подработки, особенно при Н более 600 м.
Анализ влияющих на г}т факторов (формула 1) показывает, что q0 только косвенно учитывает крепость покрывающих пород через марку угля и мощность наносов. Влияние крепости пород на г}т
рассмотрено в работе Посыльного Ю. В. и Тетерина Е. А. [8]. Прямолинейная зависимость г]т от вынимаемой мощности
пласта т многократно подтверждена натурными наблюдениями [3], математическим моделированием [6], в расчётах при-
нята постоянной величиной (m=1 м), как и угол падения а=5°.
Зависимость rm от Д2 в этих же горногеологических условиях соответствует общепризнанной теории сдвижения слоистых пород (рис. 2), где rm увеличиваются с воз-
Д2
растанием Д2 до 1100 м при —— = 1,2. При
H
дальнейшем увеличении Д2 rm остаётся постоянным, то есть образовалось плоское дно, наступила полная подработка.
В безразмерных коэффициентах N1, N2 (формулы 2, 3) значения поправок АД к относительной длине лавы за счёт размера целика l у соответствующей границы недостаточно обоснованы. Так, в таблице А.2 [2] при — = 0, то есть целика нет, а H
поправки АД приведены от 0,14 до 0,02 со
знаком плюс. При — = 0,4 АД для всех
H
марок угля, кроме антрацита, равны нулю при всех Н, таким образом rm
Д2
при —-— = 1,2 согласно [2] является постоянной величиной при Н от 100 до 1600 м (прямая 4, рис. 1).
Но при — менее 0,7 над целиком в по-H
лумульде по простиранию пласта происходит суммирование оседаний, горизонтальных деформаций растяжений и кривизны выпуклости от двух полумульд: со стороны простирания и обратной простиранию, что установлено равноточными натурными наблюдениями [5].
На этом этапе исследований, оставляя прежней структуру формулы (1), предлагаем вычислять rm по формуле
Гт = q0 • m • cosa • N1 • N2 - КР • Н , м, (7)
где КР — коэффициент остаточных расслоений (разуплотнений) подработанной слоистой толщи горных пород, установленный натурными наблюдениями автора
Науки о земле
статьи за сдвижением глубинных реперов, заложенных в пробуренные с поверхности вертикальные скважины [9], исследованиями Клишина Н. К., Кизиярова О. Л., Четверика М. С. и анализом результатов фактических оседаний земной поверхности при подработке на больших глубинах [10],
Кр = 3 • 109 —-—. КР требует дальнейшего
м
уточнения по результатам натурных наблюдений на больших глубинах.
Результаты вычислений г]т по формуле (7) при — = 0,4 сведены в таблицу 2, по Н
ним определены максимальные деформации 1т, £т по методике [2] и построены графики их зависимости от Н (рис. 3) по тем же исходным данным, что и прямая 4 (рис. 1).
Результаты цт, вычисленных по формуле (7), и im, sm
Таблица 2
q0=0,8, Д1 =2000 м, т=1м, о=5° ^ = 1,2, — = 0,4 H H
Н, м Vm , м L3, м im, 110-3 sm 110-3
100 0,795 106,4 15,24 7,17
200 0,786 212,8 7,57 3,6
300 0,771 319,2 5,0 2,39
400 0,750 425,5 3,68 1,77
500 0,723 532 2,85 1,39
600 0,690 638,4 2,31 1,12
700 0,651 744,8 1,9 0,92
800 0,606 851,2 1,55 0,75
900 0,555 957,6 1,27 0,63
1000 0,498 1064 1,03 0,51
1100 0,435 1170,4 0,82 0,41
1200 0,366 1276,8 0,63 0,31
1300 0,291 1383,2 0,46 0,23
1400 0,210 1489,5 0,31 0,15
1500 0,123 1596 0,17 0,08
1600 0,030 1702,4 0,04 0,02
о
0,600
0,650
0,700
0,750
0,800 Г|т, М
100 200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800 Д2,м
,75
— 1 V- С?о= 0
V ф- 0,8
Рисунок 2 Графики зависимости максимальных оседаний цт земной поверхности от Д2
Д2
при-= 1,2 : 1 — при qo=0,75; 2 — qo=0,8 по методике [2]
Н
Науки о земле
Вычисленные значения максимальных горизонтальных деформаций в этом вари-
Д I
анте при -= 1,2, — = 0,4, т=1 м умень-
Н Н
шились до граничного критерия мульды сдвижения (0,5 10-3) на глубине 1000 м (табл. 2, рис. 3), а по методике [2] — при Н=1600 м (табл. 1, рис. 1). Это значит, что при Д2=1920 м, Д1=2000 м мульда не достигает земной поверхности по критерию в даже по методике [2]
при Н=1600 м, а цт при ~~ = 0,4 соглас-
Н
но [2] составляет 0,798 м? То есть область влияния очистных выработок размером 3840x2000 м по критерию в имеет эллипсоидальную форму, а не перевернутой усечённой пирамиды, ограниченной граничными углами 50=70° [2]. Горизонталь-
ные сдвижения и все виды деформаций земной поверхности зависят от ц, что
указывает на необходимость корректировки методики прогноза ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности при добыче угля на больших глубинах [2], а также определений длин полумульд, граничных и углов сдвижения, области и зон сдвижения подработанной толщи пород.
Отдельный прогноз ожидаемых сдвижений и деформаций требуется при наличии в покрывающей пласт толще крепких песчаников мощностью более 30 м, задерживающих процесс сдвижения на длительное время, затем мгновенным обрушением вызывающих «техногенные» землетрясения местного значения, что неоднократно отмечалось на шахтах ПО «Ровенькиантрацит».
Рисунок 3 Графики зависимости ц, , 8т земной поверхности от Н при т=1 м, а=5°, Д1=2000 м,
До I
= 1,2; до=0,8; — = 0,4 Н Н
Выводы и направление дальнейших исследований:
1. Действующие отраслевые методики расчёта ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности [2, 4] требуют корректировки при добыче угля на больших глубинах (табл. 1, рис. 1).
2. Коэффициент остаточных расслоений КР в предлагаемой формуле (7) требует уточнений по результатам натурных наблюдений или с помощью автоматизиро-
Библиографический список
ванной наблюдательной станции [1], позволяющей повысить точность измерения линейных деформаций до 2400 раз.
3. Определение длин полумульд, граничных и углов сдвижения, области и зон деформирования подработанной толщи, корректировка методики расчёта ожидаемых деформаций земной поверхности при подработке на глубинах более 600 м яв-ляяются задачей дальнейших исследований авторов.
1. Ларченко, В. Г. Автоматизированная наблюдательная станция для мониторинга сдвижений и деформаций горных пород [Текст] / В. Г. Ларченко, О. М. Куценко, Ю. А. Маталкина // Сборник научных трудов ДонГТУ. — 2015. — Вып. 1 (44). — С. 49—55.
2. Правила подработки зданий, сооружений и природных объектов при добыче угля подземным способом [Текст] : утв. Минтопэнерго Украины 28.11.2003. — Введ. 2003-11-28. — К. : 2004. — 128 с. — (Отраслевой стандарт Украины).
3. Ларченко, В. Г. Исследование влияния глубины подработки на параметры процесса сдвижения земной поверхности [Текст] / В. Г. Ларченко, Ю. А. Маталкина // Сборник научных трудов ДонГТУ. — 2017. — Вып. 7 (50). — С. 53-57.
4. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях [Текст] : утв. и введ. Минтопэнерго РФ РАН. Гос. НИИ горн. геомеханики и маркшейдерского дела. — Санкт-Петербург, 1998. — 291 с.
5. Ларченко, В. Г. Практические результаты исследований деформаций земной поверхности при отработке свиты пологих угольных пластов [Текст] / В. Г. Ларченко // Матер1али м1жнародног конференцИ' «Форум г1рник1в - 2009». — Днепропетровск : НГУ, 2009. — С. 222—230.
6. Ларченко, В. Г. Определение зависимости параметров сдвижений и деформаций подработанной толщи пород от определяющих факторов методом конечных элементов [Текст] /
B. Г. Ларченко, О. А. Черных //Вестник МАНЭБ. — Санкт-Петербург, 2006. — №. 22. — С. 16-24.
7. Ларченко, В. Г. Зависимость максимальных оседаний земной поверхности от основных определяющих факторов [Текст] / В. Г. Ларченко, Ю. А. Маталкина // Сборник научных трудов ДонГТУ. — 2016. — Вып. 4 (47). — С. 45-51.
8. Посыльный, Ю. В. Методика исследования влияния толщи горных пород на максимальные оседания земной поверхности [Текст] / Ю. В. Посыльный, Е. А. Тетерин // Горный информационно-аналитический бюллетень. — М. : МГГУ. — 2008. — №. 1. — С. 115-121.
9. Ларченко, В. Г. Процесс сдвижений и деформаций подработанного массива горных пород [Текст] / В. Г. Ларченко // Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях : материалы 7-го Международного симпозиума. — Белгород : ВИОГЕМ, 2003. — С. 238-244.
10. Посыльный, Ю. В. Максимальные оседания земной поверхности в антрацитовых районах Донбасса [Текст] / Ю. В. Посыльный, А. А. Джулай, Е. А. Тетерин // Перспективы развития Восточного Донбасса : сб. науч. трудов ШИЮРГТУ (НПИ). — Новочеркасск : Набла, 2007. — 4.2. —
C. 282-294.
© Ларченко В. Г.
© Коваленко Е. В.
© Маталкина Ю. А.
Рекомендована к печати к.т.н., доц. каф. РМПИЛеоновым А. А., гл. маркшейдером шахты им. XIX съезда КПСС Кияненко Н. А.
Статья поступила в редакцию 04.06.18.
к.т.н. Ларченко В. Г., Коваленко О. В., Маталкша Ю. А. (ДонДТУ, м. Алчевськ, ЛНР) МАКСИМАЛЬН1 ОС1ДАННЯ ТА ДЕФОРМАЦИ1 ЗЕМНО1 ПОВЕРХН1 ПРИ П1ДРОБЦ1 НА ЗНАЧНИХ ГЛИБИНАХ
Обгрунтовано необх1дтсть корегування галузевих «Правил тдробки буд1вель, споруд i приро-дних об 'eктiв при видобуванн вугтля тдземним способом» для розрахунку очтуваних зрушень та деформацт земног поверхн при тдземтй розробц вугтьних пластiв на значних глибинах. Наведено скореговану формулу обрахування максимальних оадань гiрських порiд.
Ключовi слова: максимальн оадання, деформацИ' земног поверхт, глибина тдробки, залеж-тсть, корегування.
PhD Larchenko V. G., Kovalenko E. V., Matalkina Yu. A. (DonSTU, Alchevsk, LPR) MAXIMUM EARTH CRUST SUBSIDENCE AND DEFORMATION AT GREAT DEPTH UNDERMINING
There has been proved the necessity to correct the branch "Rules of undermining the buildings, constructions and natural surroundings at underground coal mining" for calculating the expected displacements and deformations of the earth crust at undermining the coal layers at great depths. There has been given the corrected calculation formula for maximum rock subsidence.
Key words: maximum subsidence, earth crust deformation, undermining depth, dependence, correction.
