CC BY
1
УДК 622.834: 622.224
МЕТОДИКА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДИНАМИКИ СДВИЖЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА ЭТАПАХ ОТРАБОТКИ ПОЛОГИХ
УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
Л. А. Чепурная
На основании теоретических исследований геомеханического процесса сдвижения породного массива и статистической обработки экспериментальных данных разработана методика прогнозирования динамики сдвижения земной поверхности на всех этапах очистных работ. Методика позволяет по основным показателям геотехнологического процесса определить на стадии проектирования очистных работ математическую модель, параметры, закономерности и безопасные условия процесса оседания земной поверхности. Основой прогнозирования геомеханического процесса сдвижения поверхности являются конкретные горно-геологические условия геотехнологического процесса по мере развития очистных работ. Для практического применения методики прогнозирования сдвижения поверхности разработан алгоритм расчетов и логико-информационная блок-схема.
Ключевые слова: очистные работы, породный массив, сдвижение, этапы, экспоненциальная зависимость, логистическая зависимость, показатель сдвижения, динамические параметры, условия безопасности.
Введение. При ведении очистных работ породы, залегающие в кровле горных выработок, приходят в движение, обусловливая развитие процесса сдвижения всей толщи, включая земную поверхность. Параметры процесса сдвижения пород и земной поверхности существенно отличаются между собой на различных этапах ведения очистных работ. От достоверного определения этих параметров зависит эффективность принятых инженерных решений, связанных с предотвращением или уменьшением негативного влияния последствий развития очистных работ.
Современные угольные предприятия разрабатывают пласты по столбовой системе при длине лавы 150...300 м и протяженности столба 1000 м и более. Также высокие темпы и объемы очистных работ требуют, в первую очередь, обеспечения безопасной подработки породного массива, что связано как с геомеханическими, так и с гидродинамическими процессами. Поэтому, весьма важно еще до начала очистных работ прогнозировать динамику сдвижения породного массива и поверхности, оценить возникающие риски в связи с развитием геотехнологического процесса. По этой причине математическое моделирование процесса сдвижения земной поверхности является перспективным инженерным решением проблемы.
При разработке известных способов прогноза сдвижений и деформаций массива пород и земной поверхности использованы положения механики сплошной или дискретной среды, физические аналогии, аналитико-эмпирические теории, численные методы и др. [1 - 4]. Известные способы прогноза 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. При этом используются только граничные параметры и граничные углы сдвижения без учета динамических параметров развития геомеханического процесса.
Известные математические модели [5, 6] описывают только случай сдвижения земной поверхности после полной ее подработки во времени для примерно одинаковой скорости подвигания очистного забоя, не учитывают многие факторы влияния, поэтому необходимо их совершенствование и уточнение. Также практически неизученным является этап очистных работ, при котором развитие геомеханического процесса сдвижения горных пород проявляется выходом на поверхность при формировании мульды сдвижения. Ни теоретически, ни экспериментально не установлены факторы влияния и параметры начала сдвижения поверхности.
Таким образом, исследование и прогнозирование динамических параметров и закономерности процесса сдвижения породного массива и земной поверхности на всех этапах развития очистных работ до и после образования плоского дна мульды сдвижения является актуальной научно-практической задачей.
Цель работы - разработка новой методики прогнозирования динамики сдвижения земной поверхности на этапах очистных работ при столбовой системе разработки пологих угольных пластов.
Методы научных исследований
Научные исследования выполнялись на основании комплексной методики:
- анализ горно-геологических условий разработки пологих угольных пластов и фактических данных о сдвижении земной поверхности;
- аналитические исследования геомеханического процесса сдвижения породного массива;
- обработка результатов экспериментальных данных оседания точек земной поверхности методом наименьших квадратов;
- корреляционно-регрессионный анализ и построение математических моделей сдвижения земной поверхности на различных этапах ведения очистных работ;
- сравнительный анализ результатов математического моделирования сдвижения поверхности с другими фактическими данными.
Результаты исследований
При разработке методики прогнозирования был проведен анализ и статистическая обработка фактических данных о сдвижении земной поверхности на всех этапах очистных работ, полученных в различных условиях шахт им. С. М. Кирова [7], №9 ПО «Скуратовуголь» [7], №22 «Ком-мунарская» [8], им. Г. Г. Капустина [9], «Белозерская» [10], «Степная» [11, 12], им. А. Ф. Засядько [13], им. П. Л. Войкова [14], «Юбилейная» [12],
«Первомайская» [12], им. М. В. Фрунзе [15], Аппалачского угольного бассейна [16].
Исследуемые горно-геологические и горнотехнические условия отработки пластов находились в широком диапазоне. Наблюдательные станции подработаны очистными горными работами по угольным пластам марок Г, Д, К, Ж, Т, А мощностью от 0,63 до 3,0 м, угол падения которых составлял до 20 Глубина разработки пластов варьировалась от 50 до 900 м, а скорость подвигания очистного забоя составляла 20...120 м/мес. Длина лавы изменялась от 70 до 250 м. Для всех анализируемых объектов управление кровлей в очистном забое осуществлялось полным обрушени-
На основании анализа горно-геологических и горнотехнических условий отработки пологих угольных пластов и развития геомеханического процесса сдвижения подработанных пород и земной поверхности в качестве главных факторов влияния определены: глубина очистных работ Н, прочность горных пород стс, мощность пластат, скорость подвигания очистного забоя Уоч и размеры выемочного столба ¿1, ¿2.
Натурные наблюдения за динамикой сдвижения земной поверхности, выполнявшиеся на различных месторождениях, выявили общие закономерности развития процесса сдвижения земной поверхности, что позволило разработать обобщенную схему развития очистных работ во взаимосвязи со сдвижением породного массива и поверхности.
При разработке методики прогнозирования динамики сдвижения земной поверхности были рассмотрены этапы очистных работ и соответствующие им стадии сдвижения поверхности [17], отраженные на обобщенной схеме (рис. 1):
I этап - отход лавы от разрезной печи - начало сдвижения поверхности;
II этап - развитие очистных работ - активная стадия сдвижения поверхности;
III этап - движение очистного забоя - стабилизация сдвижения поверхности, образование плоского дна мульды.
На I этапе очистных работ в точке А происходит достижение процессами сдвижения земной поверхности при начальном размере выработанного пространства Ьн. При формировании мульды сдвижения на II этапе развития очистных работ по мере удаления очистного забоя от разрезной печи процессы сдвижения переходят в активную стадию (от точки А в точку В). При дальнейшем развитии очистных работ протекает стадия затухания процессов сдвижения, связанных с окончательным уплотнением пород и возвращение их в устойчивое состояние. На III этапе оседание земной поверхности после образования плоского дна мульды сдвижения определяется только текущим положением очистного забоя. При этом динамика
сдвижения земной поверхности также проявляется в активной стадии динамической полумульды (между точками В и Б).
Расчет параметров, характеристик и закономерностей оседания земной поверхности по данной методике проводится в соответствии с названными этапами и разработанной обобщенной схемой.
Начальная Активная Стадия стадия стадия затухания
Стадия уплотнения пород
Стадия Активная Начальная затухания стадия стадия
Главная плоскость мульды сдвижения
Рис. 1. Обобщенная схема развития очистных работ и сдвижения
породного массива
I этап очистных работ
На этом этапе происходит развитие геомеханического процесса сдвижения породной толщи и достижение поверхности. Критерием выхода на поверхность деформаций породного массива над очистной выработкой есть равенство
— = (1) Н кп ■ tga
где Ьн - расстояние от разрезной печи до забоя, соответствующее началу сдвижения земной поверхности; Н - глубина ведения очистных работ; кп -коэффициент породного массива; tga - показатель сдвижения породного массива.
На основании корреляционного анализа получена формула для определения показателя породного массива
0,52
кп ■ tga =-, (2)
п (0,16 + 0,09 т)(0,40 - 0,0033¥оч)
где т - мощность пласта; ¥оч - скорость движения очистного забоя.
Следовательно, при движении одиночной лавы расстояние от разрезной печи, определяющее начало сдвижения поверхности, находится из формулы (1).
II этап очистных работ
На этапе развития очистных работ процесс сдвижения породного массива и поверхности вступает в активную стадию: скорость сдвижения нарастает, стабилизируется и начинает затухать. Данный процесс наиболее точно описывается экспоненциальной математической моделью
Пт = а - Ь • ехр(-с • Ь), (3)
где а, Ь и с - эмпирические параметры закономерности сдвижения поверхности, определяемые условиями работ по формулам
т
а = 300 +1830 у; (4)
Ь = 750 + 50 ^; (5) 7 2
с = 0,00234 + —. (6)
Н • / у '
В расчетах использовался средневзвешенный коэффициент крепости породного массива
п
^^^ тол,. 3' г г г
Г = '=1 ' = т1 • /1 + т2 • /2 + ... + тп • !п (7)
3 Н Н ' 1 )
где шслр - мощность и коэффициент крепости отдельного породного слоя.
После этого устанавливается значение геомеханической постоянной для данного геотехнологического процесса
I г = . (8)
- с
По параметрам экспоненциальной закономерности движения земной поверхности динамика процесса характеризуется показателем сдвижения
tga = 1 а • с. (9)
Находим коэффициент породного массива
кп = . (10) Iг ■ tga
Следовательно, средняя скорость сдвижения породной толщи и земной поверхности
Уг = кп • tga . (1)
При отработке панели или шахтоучастка учитываются два размера выработанного пространства Ь1 и а экспоненциальная закономерность сдвижения земной поверхности записывается в виде
( II Л
*1т = а1 -Ь1 ■ ехР -С1 -—¿г • (12)
V н2 )
Откуда находятся динамические параметры оседания поверхности
т • Ц
\%а =-¿Мв^ , (13)
Н 2
2 Н2
I = ГТ-Т"' (4)
кп ■ 1
где 1ва1 - относительный показатель сдвижения. III этап очистных работ
После активной стадии сдвижения поверхности на этапе движущегося очистного забоя оседание земной поверхности возможно описывать математической моделью в виде логистической зависимости
= 1 Ь м» (5)
1 + Ь • ехр(-с!)
где а, Ь, с - эмпирические параметры логистической зависимости.
Их можно рассчитать по горно-геологическим и горнотехническим условиям очистных работ:
т
а = 300 +1830 у; (16)
Ь =-' (
0,22 - 0,147-^ Н
19
с = 0,00429 +-. (18)
Н • Г У }
Параметры сдвижения определяются по границам стадий:
ЛК = а, (19)
- 4,6 + 1п Ь
I = 1а = —-; (20)
- с 3,9 + 1п Ь
I = ьр = --; (21)
- с
Лв = 0,8^ • (2)
Динамический показатель сдвижения
\.%а = ^БВ = 0,23а • с. (23)
Граница окончания сдвижения поверхностной точки
3,9 + 1п Ь
Ьк = ЬР = --. (24)
- с
После получения параметров динамики сдвижения земной поверхности на всех этапах выполняется контрольная проверка зависимостей по граничным точкам оседания поверхности. Для этого проверяются, например, Ьн и Г! = 1,02^к.
На заключительном этапе прогнозирования сдвижения поверхности осуществляются графическое построение закономерности, анализ результатов и выводы о технологических рисках.
Для практической реализации методики прогнозирования динамики сдвижения земной поверхности на этапах отработки пологих пластов она представлена в виде логико-информационной блок-схемы на рис. 2. Внедрение результатов исследований выполнено при отработке пластов угля марок А и Г, на глубинах 100 - 700 м на 5 объектах: шахтоуправление «Ро-веньковское» участок №5, шахты «Глубокая», «Павлоградская», «Мушке-товская-Вертикальная», «Родинская» №1.
На всех объектах получены положительные результаты прогнозирования параметров и закономерностей динамики сдвижения земной поверхности с высокой достоверностью (погрешность не более 12 %).
Выводы
1. Методика прогнозирования динамики сдвижения породного массива и земной поверхности при столбовой системе разработки пологих угольных пластов позволяет определить на всех этапах очистных работ основные параметры, характеристики, закономерности и безопасные условия процесса оседания земной поверхности. Расчет параметров сдвижения выполняется в зависимости от структурно-прочностных свойств, глубины работ, мощности вынимаемого угольного пласта, скорости движения и геометрических размеров лавы.
2. Применение данной методики позволяет избежать трудоемких и длительных маркшейдерских наблюдений и на стадии проектирования горных работ оценить безопасные условия подработки пород и земной поверхности.
о
МЕТОДИКА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДИНАМИКИ СДВИЖЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ
-- г
Г
I ЭТАП ОЧИСТНЫХ РАБОТ
к„ ^а =
Н к„ ■
0,52
(0,16 + 0,09;«)(0,4 - 0,0033Уоч 2 Н
ГОРНОТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ
<-
1
II ЭТАП ОЧИСТНЫХ РАБОТ
III ЭТАП ОЧИСТНЫХ РАБОТ
\
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
г]т= а — Ь ■ ехр(—с ■ Ь)
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
ЩЬ)
1 + Ь- ехр(—с • Е) М 1
« = 300+1830-
¿ = 750+50^^ /
I
а = 300+1830-
I
1 =
1п(я/й)
Ь =
с = 0,00234 +
7,2 И /
0,22— 0,147(КОЧ / Н) с = 0,00429 19
И /
■ Ь =
А. =
ПК=а V,) = О, 8т7к —4,60 + 1пй
—с 3,9 + 1пй
ДИНАМИКА СД В И Ж Е Н И Я
А„ =
2 Н
¿Ср
1г ■
кп ■ ^а ■
1еа = 4?^ = 0,23«-с
АЛ,
4 = 4 +
1п(1 + А)
77 = 0,98/£.
2 Н _ 1п (я/6)
к„ ■ tgаr
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ, ПОСТРОЕНИЕ КРИВЫХ ОСЕДАНИЯ, ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рис. 2. Логико-информационная блок-схема методики прогнозирования динамики сдвижения земной поверхности
Список литературы
1. Турчанинов И. А., Иофис М. А., Каспарьян Э. В. Основы механики горных пород. Л.: Недра, 1989. 488 с.
2. 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.
3. Tan X. Extraction of Irregularly Shaped Coal Mining Area Induced Ground Subsidence Prediction Based on Probability Integral Method // Appl. Sci., 2020. 10(18). 6623.
4. 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.
5. Гавриленко Ю. Н. Математическое описание динамики процесса сдвижения на угольных шахтах Донбасса // International Society for Mine Surveying, XIII International Congress. Budapest. Hungary. 24-28 September. 2007. Report 032. 6 p.
6. Кулибаба С. Б., Рожко М. Д., Хохлов Б. В. Характер развития процесса сдвижения земной поверхности во времени над движущимся очистным забоем // Научные труды УкрНДМИ, 2010. №7. С. 40 - 54.
7. Сдвижение горных пород и земной поверхности в главнейших угольных бассейнах СССР / С. Г. Авершин [и др.]. М.: Углетехиздат, 1958. 251с.
8. Кулибаба С. Б., Рожко М. Д. Временные параметры интенсивной стадии процесса сдвижения земной поверхности // Науковi пращУкрНДМ1 НАН Украши. 2011. № 9 (Ч. I). С. 173 - 179.
9. Иофис М. А., Шмелев А. И. Инженерная геомеханика при подземных разработках. М.: Недра, 1985. 248 с.
10. Гавриленко Ю. Н. Прогнозирование сдвижений земной поверхности во времени // Уголь Украины. 2011. №6. С. 45-49.
11. Ларченко В. Г. Влияние подземной разработки угольных пластов на состояние земной поверхности // Вестник МАНЭБ. С. -Петербург. 1998. № (12). С. 39 - 41.
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.
13. 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. 108119.
14. Борзых А. Ф., Горовой Е. П. Влияние ширины выработанного пространства на активизацию сдвижения угленосного массива // Уголь Украины. 1999. №9. С. 26-30.
15. Аверин Г. А., Кирьязев П. Н., Доценко О. Г. Влияние слоистости на оседание земной поверхности // Уголь Украины. 2010. № 10. С. 34 - 35.
16. Adamek V., Jeran W., Trevits M. Static and Dynamic subsidence prediction in the northern Appalachian based on the use of a variable subsidence coefficient // Proc. Third workshop on surface subsidence due to underground mining. Morgantown, West Virginia University, 1992. P.10 - 21.
17. 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, Dnipropetrovs'k. National Mining University, 2013. P. 17-21.
Чепурная Любовь Александровна, ст. преподаватель, lach83@,mail.ru, Россия, Алчевск, Донбасский государственный технический университет
METHOD FOR PREDICTING OF DYNAMICS TERRESTRIAL SURFACE DISPLACEMENT DURING LONG-PILLAR MINING SYSTEM OF GENTLY SLOPING COAL SEAMS
L. A. Chepurnaya
According to theoretical studies of geomechanical process of rock mass displacement and experimental data statistical processing, has developed method for predicting of dynamics terrestrial surface displacement at all mining stages.This method makes it possible to determine mathematical model, parameters, patterns and safe conditions of terrestrial surface displacement based on the main indicators of the geotechnological process at design stage of mine workings. The basis for geomechanical process predicting is specific conditions of the geotech-nological process as development of mining operations progresses. For the practical application of the method predicting surface displacement, a calculation algorithm and a logical information block diagram have been developed.
Key words: mining operations, rock mass, displacement, stages, exponential dependence, logistic dependence, displacement index, dynamic parameters, safety conditions.
Chepurnaya Lyubov Aleksandrovna, senior lecturer, lach83@,mail.ru, Russia, Alchevsk, Donbass State Technical University
Reference
1. Turchaninov I. A., Iofis M. A., Kasparyan E. V. Fundamentals of rock mechanics. L. : Nedra, 1989. 488 p.
2. Cheng H. A., Zhang L., Guo L. A new model for dynamic forecasting of soil subsidence in mine workings based on the inverse function of unstable creep // Achievements in civil engineering, 2021. pp. 1-9.
3. Tan H. The extraction of an irregularly shaped coal mining site led to the prediction of soil subsidence based on the integral probability method // Applied Sciences., 2020. 10(18). 6623.
4. 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.
5. Gavrilenko N. N. Mathematical description of the dynamics of movement in the coal mines of Donbass // International Society of Surveyors, XIII International Congress. Budapest. Hungary. September 24-28. 2007. Report 032. 6p.
6. Kulibaba S. B., Rozhko M. D., Khokhlov B. V. The nature of the development of the process of displacement of the Earth's surface in time over a moving treatment face // Scientific works of UkrNDMI, 2010. No. 7. pp. 40-54.
7. Displacement of rocks and the earth's surface in the main coal basins of the USSR / S. G. Avershin [and M. :Ugletekhizdat, 1958. 251s.
8. Kulibaba S. B., Rozhko M. D. Sane parameters of the infinitives-Neustadt operation for the displacement of the Earth's surface // Naukovi praziUkrNDMI NAS of Ukraine, 2011. No. 9 (Part I). pp. 173-179.
9. Iofis M. A., Shmelev A. I. Engineering geomechanics in underground mining. M.: Nedra, 1985. 248 p.
10. Gavrilenko Yu. N. Forecasting the movements of the Earth's surface in time // Coal of Ukraine, 2011. No. 6. pp. 45-49.
11. Larchenko V. G. The influence of underground mining of coal seams on the state of the Earth's surface // Bulletin of MANEB. St. Petersburg. 1998. No. (12). pp. 39 - 41.
12. Nazarenko V. O., Pilipenko P. P. Development of subsidence of the Earth's surface during lava flow from a split furnace // Bulletin of ZHDTU, 2012. No. 1 (60). pp. 126 - 129.
13. 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 mountain pressure, 2000. No. 4. pp. 108-119.
14. Borzykh A. F., Gorovoy E. P. Influence of the width of the worked-out space on activation of the movement of the coal-bearing massif // Coal of Ukraine, 1999. No. 9. pp. 2630.
15. Averin G. A., Kiryazev P. N., Dotsenko O. G. The influence of stratification on the subsidence of the Earth's surface // Coal of Ukraine, 2010. No. 10. pp. 34-35.
16. Adamek V., Jeran U., Trevits M. Prediction of static and dynamic subsidence in the northern Appalachians based on the use of a variable coefficient of subsidence // Proc. The third workshop is on surface subsidence due to underground mining. Morgantown, West Virginia University, 1992. pp.10-21.
17. Antoshchenko N. I., Chepurnaya L. A., Filatiev M. V. Calculation scheme of mathematical modeling of the process of displacement of the Earth's surface during the development of coal seams // Development of mineral deposits, Dnepropetrovsk. National Mining University, 2013. pp. 17-21.
