CC BY
1Науки о земле
УДК 622.83:622.023.23
асс. Корецкая Е. Г. (ДонГТУ, г. Алчевск, ЛНР, [email protected])
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСЕДАНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ В УСЛОВИЯХ ПОДРАБОТКИ ЛАВОЙ № 35ВОСТ пл. h8 ШАХТЫ им. М. В. ФРУНЗЕ
Приведены результаты исследования максимальных оседаний земной поверхности с учётом чередования крепких пород, выраженные в процентном отношении к глубине ведения очистных работ, путём моделирования и натурных наблюдений подрабатываемой железной дороги.
Ключевые слова: математическое моделирование, метод конечных элементов, максимальные оседания земной поверхности, процентное содержание, крепкие породные слои.
Актуальность. Прогноз сдвижения земной поверхности рассчитывается в соответствии с нормативным документом [1]. Данная методика учитывает влияние крепких пород (песчаник, известняк и т. д.), залегающих в подрабатываемой толще, только косвенно — относительная величина максимального оседания). Основными исходными данными для этой методики являются: мощность вынимаемого пласта, отношение ширины выработанного пространства к глубине разработки, угол падения пласта, метаморфизм залегающих пород и др.
Решить эту проблему возможно, используя фактические инструментальные наблюдения за сдвижением земной поверхности, вызванным ведением очистных работ при отработке тонких и средней мощности пологих угольных пластов, и математическим моделированием, например методом конечных элементов, которые позволяют достичь высокой точности [2]. При определении величины сдвижения земной поверхности математическим методом создаются расчётные схемы, которые учитывают слоистость, чередование слабых, крепких слоёв и прослойков, существенно влияющие на параметры процесса сдвижения [3].
Цель исследования — учесть влияние крепких пород подработанной толщи при определении максимальных оседаний земной поверхности.
Учёт влияния крепких пород подработанной толщи определён путём сравнения максимальных значений, которые получе-
ны тремя методами: нивелированием железной дороги, моделированием методом конечных элементов и вычислением по методике «Правил охраны ...» [1].
Первый метод: проводилась нивелировка железной дороги, расположенной диагонально к линии лавы № 35вост. пласта h8 в горно-геологических условиях шахты им. М. В. Фрунзе ПО «Ровенькиантрацит» в 2000-2001 годах. Расстояние между реперами составляло 30 м. Замеры проводили раз в квартал.
Второй метод: вычисления проводились на плоских моделях с помощью программного вычислительного комплекса «Лира», реализующего метод конечных элементов. Были созданы три расчётные схемы: первая максимально учитывает фактические горногеологические и горнотехнические условия подрабатываемой толщи, в которой содержание крепких пород составляет 29 % с учётом угольных пластов и прослойков; во второй породные слои заменены на крепкие породы (песчаники и известняки — 100 %), а в третьей — на аргиллиты (при полном отсутствии крепких пород — 0 %).
Процесс оседания земной поверхности моделировался с учётом пошагового подви-гания очистного забоя, шаг выемки — 30 м, что в среднем соответствует подвиганию лавы за месяц. При этом поведение пород максимально приближено к упругопластическо-му деформированию. Модели ^штывали увеличение объёма разрушенных и обрушенных пород путём подстановки на место
пошагово вынутых элементов новых, с прочностными свойствами, соответствующими обрушенным породам [4]. Расчётная модель имеет размеры 3465 м по простиранию и 928 м по глубине. Размеры конечных элементов назначались в зависимости от мощности угольных пластов, пропластков и вмещающих пород. Размер элемента в моделях по мощности составляет от 0,2 до 7,5 м. Размер элементов по простиранию — 5 м. Модели состоят из 190073 элементов. Тип конечных элементов — физически нелинейный, универсальный, прямоугольный конечный элемент (КЭ) плоской задачи (грунт). Критерий разрушения определялся теорией прочности Кулона - Мора для грунтов. Моделируемая подработанная толща пород была представлена чередующимися слоями различных типов пород, отличающимися между собой деформационными характеристиками, соответствующими стратиграфической колонке, полученной в результате бурения разведочных скважин. Физико-механические характеристики угля и вмещающих его пород приведены в таблице 1.
Таблица 1
Физико-механические характеристики угля и вмещающих его пород
л о г
п т & с <u
л S ® ^ <ц & К К я и - „ и Я 5 «
Порода о S пругости Я о ис ! 8 со с о « Я « S к Г& « нн со р оп £ Ü К а и н « о г
с
аргиллит 2^04 0,2 5 30
алевролит 2^04 0,2 8 35
песчаник 2,5- 104 0,2 8 35
известняк 2,5- 104 0,2 8 35
угольный пласт 0,5- 104 0,3 3,4 37
Для моделирования изменения свойств обрушенных во времени пород использован процессор «МОНТАЖ».
Третий метод: прогнозируемые максимальные оседания, полученные в результате вычислений по методике [1].
Пласт h8 — сложного строения, вынимаемая мощность в среднем составляет 1,56 м, угол падения на выемочном участке изменяется от 0° до 1°. Глубина расположения лавы — 880 м. Выемка антрацита проводилась механизированным комплексом 1КМТ-1,5. Средняя скорость подвигания очистного забоя 30 м/мес.
Выкопировка из плана исследуемого участка представлена на рисунке 1. Модели составлялись вдоль отработки лавы № 35вост., полученные оседания отображены на рисунке 2. Железная дорога пересекает эту лаву диагонально к линии очистного забоя. Работоспособность расчётных схем подтверждается сравнением оседаний, полученных моделированием, с фактическими на пикетах 6, 7, 8, 9 (рис. 3), максимальное отклонение составляет от 1 до 11 %. Среднее значение показано на рисунке 4. Соответственно, данные, полученные в результате моделирования первой модели (29 % крепких пород), в дальнейшем можно использовать как фактические.
Результаты максимальных оседаний земной поверхности, полученные разными методами, представлены в таблице 2 и показаны на рисунке 5.
Путём интерполяции зависимостей максимальных оседаний земной поверхности от отношения ширины выработанного пространства к глубине разработки по данным моделей, содержащих 0 %, 29 % и 100 % крепких пород в подрабатываемой толще, получены зависимости максимальных оседаний при других процентных содержаниях крепких пород, представленных на рисунке 6. На основании сравнения максимальных оседаний, полученных на моделях и рассчитанных по нормативному документу [1], определены поправочные коэффициенты, позволяющие учесть содержание крепких пород (табл. 3), которые можно ввести в «Правила подработки зданий, сооружений и водных объектов при отработке угля подземным способом» [1].
Рисунок 1 Выкопировка из плана горных работ пласта h8 ш. им. М. В. Фрунзе
Линия разреза земной поверхности вдоль железной дороги, подработанной лавой №35
О 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 Д,М 850 о 11 М II II М М М 11 III II М М II II М И М М М 11 II м
л
-225 .................... 11 I II .......... ......... ........................................
ПК9 ПК8 ПК7 ПКб
Рисунок 2 Оседания земной поверхности, полученные при содержании крепких пород 29 % (1, 2, 3, 4 — оседания земной поверхности при отработке лавы № 35вост соответственно 240 м, 480 м, 660 м, 840 м)
Науки о земле
Рисунок 3 Оседания земной поверхности, вызванные подвиганием лавы № 35вост соответственно: 1 — на ПК6; 2 — на ПК7; 3 — на ПК8; 4 — на ПК9; 5 — среднее значение оседания
0,25
Отношенне ширины выработанного пространства к глубине разработки
0,35 0,45 0,55 0,65 0,75 0,85 0,95 Д/Н 1,05
к н
и
О
к sc а и и о с
>я о и
-30
-60
-90
-120
-150
-180
-210 Л
-240
V
N X \
О
\ к -1
\ 1, 2
N ч
N
ч \
ь
Рисунок 4 Оседания земной поверхности, вызванные подвиганием лавы № 35вост. (1 — оседания, полученные на модели; 2 — среднее значение оседания, полученное по пикетам 6, 7, 8, 9)
Науки о земле
Таблица 2
Максимальные оседания земной поверхности, полученные различными методами
Отношение ширины выработанного пространства Д к глубине разработки Н Максимальные оседания, мм
фактические нормативные полученные на моделях при содержании крепких пород
0 % 29 % 100 %
0,27 -38 -72 -49 -43 -29
0,55 -126 -177 -129 -115 -77
0,75 -160 -192 -180 -159 -111
0,95 -192 -192 -220 -190 -139
Отношение ширины выработанного пространства к глубине разработки
0,24 0,42 0,6 0,78 Д/Н 0,96 ■25 --------------------
-200
Рисунок 5 Зависимость максимальных оседаний земной поверхности от отношения ширины выработанного пространства Д к глубине разработки Н угольного пласта (1, 2, 3 — зависимости максимальных оседаний от Д/Н, полученных при математическом моделировании соответственно при содержании крепких пород 0 %, 29 % и 100 %; 4 — зависимость максимальных оседаний от Д/Н, вычисленных по методике «Правил охраны ...»)
Науки о земле
Рисунок 6 Зависимости максимальных оседаний земной поверхности от отношения ширины выработанного пространства Д к глубине Н при разном содержании крепких пород в подработанной толще (1 — 0 %; 2 — 10 % ; 3 — 20 %; 4 — 29 %; 5 — 30 %; 6 — 40 %; 7 — 50 %; 8 — 60 %; 9 — 70 %; 10 — 80 %; 11 — 90 %;12 — 100 %)
Таблица 3
Поправочный коэффициент, вводимый при определении максимальных оседаний, вычисленный по нормативной методике, при различном процентном содержании песчаника
в подработанной толще
ДН Соде ржание крепких пород в земной толще, %
0 % 10 % 20 % 30 % 40 % 50 % 60 % 70 % 80 % 90 % 100 %
0,27 1,47 1,53 1,60 1,67 1,68 1,76 1,85 1,95 2,06 2,19 2,32
0,55 1,37 1,43 1,48 1,54 1,55 1,62 1,71 1,80 1,90 2,02 2,15
0,75 1,07 1,11 1,16 1,21 1,21 1,27 1,33 1,39 1,46 1,54 1,63
0,95 0,87 0,92 0,96 1,01 1,01 1,05 1,10 1,14 1,20 1,25 1,31
Выводы. При прогнозировании сдвижений земной поверхности необходимо учитывать все крепкие слои пород и их чередование — от отрабатываемого пласта до поверхности.
При сравнении результатов максимальных оседаний, рассчитанных по «Правилам подработки...» [1] и путём математического моделирования, получены поправочные коэффициенты,
которые позволяют учесть слои крепких пород, на примере разработки угольного пласта ^ лавой №35вост. в условиях шахты им. М. В. Фрунзе бывшего ПО «Ровенькиантрацит».
Скорректированное максимальное оседание позволит повысить точность вычисления остальных параметров сдвижений и деформаций в точках главных сечений мульды по «Правилам подработки.».
Науки о земле
Библиографический список
1. Правила тдробки буд1вель, споруд i природних об'ект1в при видобуванш вугтля тдземним способом. Галузевт стандарт Украгни [Текст] : ГСТУ 101.00159226.001-2003 : затв. Мтпаливоенерго Украгни 28.11.2003. — Чинний з 01.01.2004. — Кигв, 2004. — 127 с.
2. Аверин, Г. А. Прогнозирование максимальных оседаний земной поверхности при различном содержании крепких породных слоёв подработанного массива [Текст] / Г. А. Аверин, В. Г. Ларченко, Е. Г. Корецкая, О. Г. Доценко // Уголь Украины. — 2016. — № 8. — С. 4-7.
3. Аверин, Г. А. Влияние слоистости на оседание земной поверхности [Текст] / Г. А. Аверин, П. Н. Кирьязев, О. Г. Доценко // Уголь Украины. — 2010. — № 10. — С. 34-35.
4. Аверин, Г. А. Механические характеристики пород кровли [Текст] / Г. А. Аверин, П. Н. Кирьязев, О. Г. Доценко // Уголь Украины, 2010. — № 4. — С. 38-40.
© Корецкая Е. Г.
Рекомендована к печати к.т.н., доц. каф. РМПИ ДонГТУ Леоновым А. А., и. о. гл. инженера Филиала «Шахта им. XIX съезда КПСС» ГУПЛНР «Центруголь» Зубковым С. В.
Статья поступила в редакцию 08.11.18.
Корецька О. Г. (ДонДТУ, м. Алчевськ, ЛНР, [email protected])
МОДЕЛЮВАННЯ ОС1ДАНЬ ЗЕМНО1 ПОВЕРХН1 В УМОВАХ П1ДРОБКИ ЛАВОЮ № 35СХВД пл. h ШАХТИ iM. М. В. ФРУНЗЕ
Наведено результати до^дження максимальних оадань земног поверхш з урахуванням чер-гування мщних порiд, яю виражено в процентному вiдношеннi до глибини ведення очисних робт, шляхом моделювання та натурних спостережень за залiзницею, що тдроблялася.
Ключовi слова: математичне моделювання, метод юнцевих елементiв, максимальм оадання земног поверхт, процентний змiст, мщш породш шари.
Koretskaia E. G. (DonSTU, Alchevsk, LPR, [email protected])
MODELING OF THE EARTH CRUST SUBSIDENCE UNDER THE CONDITIONS OF LONGWALL UNDERMINING № 35EAST. LAYER h8 OF FRUNZE MINE
The research results of maximum earth crust subsidence are shown considering hard rock alternations presented in percentage ratio to a depth of coal-face working, by modeling and naturalistic observations for the railway undermined.
Key words: mathematical modeling, finite element method, maximum earth crust subsidence, percentage, hard rock layers.
