CC BY
1Науки о земле
УДК 622.837
к.т.н, Ларченко В. Г., Маталкнна Ю. А., Коваленко Е. В.
(ДонГТИ, г Алчевск, ЛНР, [email protected])
ОПЕРАТИВНЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОЖИДАЕМЫХ ОСЕДАНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ДОБЫЧЕ УГЛЯ НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ
Выполнен сравнительный анализ оседаний, вычисленных по действующим методикам нормативных «Правил... », по методике проекта «Правил охраны сооружений... » ЛНР и по результатам натурных наблюдений. Приведен оперативный способ расчета ожидаемых максимальных оседаний земной поверхности.
Ключевые слова: оседания, земная поверхность, способ, зависимость, глубина, разработка, уголь.
Проблема и ее связь с научными и практическими задачами. Более 30 % балансовых запасов угля Восточного Донбасса залегает под сооружениями, коммуникациями и природными объектами. Разработка угля в таких случаях возможна только после принятия мер охраны подрабатываемых объектов. Выбор мер охраны зависит от максимальных ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности, определить которые можно натурными наблюдениями, но они очень трудоемкие и в ЛНР не всегда возможны. Маркшейдерам шахт остается определять ожидаемые сдвижения
и деформации земной поверхности по методикам действующих нормативных документов «Правила подработки зданий...» [1] Украины или «Правила охраны сооружений.» [2] РФ. Но выполненные кафедрой МГ и Г ДонГТИ исследования [3-6] показывают (рис. 1), что как в действующих нормативных «Правилах.» [1, 2], так и в им предшествовавших «Правилах.» Министерства угольной промышленности СССР 1981 г. и 1972 г. не в полной мере учтено влияние глубины разработки Н на максимальное оседание земной поверхности Пт (рис. 1).
1, 3, 5, 7 — ломаные в районах залегания антрацита; 2, 4, 6, 8 — ломаные в районах залегания других марок угля и h/H < 0,3; 9 — прямая в районах залегания других марок при l/H=0,4
Рисунок 1 Графики зависимости Пт от Н, вычисленные по методикам [1, 2], 1972 г., 1981 г.
Науки о земле
Построенные по вычисленным цт согласно методикам [1, 2], 1972 г., 1981 г. графики зависимости, при вынимаемой мощности пласта 1 м, угле наклона пласта а = 5°, длине столба по падению Д1 = 2000 м, полной подработке по простиранию (Дг/Н = 1,2), свидетельствуют, что максимальные оседания земной поверхности щт с увеличением глубины разработки Н увеличиваются или не изменяются (рис. 1), а это противоречит теории сдвижения слоистой толщи пород и геомеханике.
Горизонтальные сдвижения и все виды деформаций земной поверхности зависят от максимальных оседаний, поэтому и влияние глубины очистных работ недостаточно учтено в нормативных «Правилах...» [1, 2], 1972 г., 1981 г при вычислении деформаций земной поверхности, особенно при больших глубинах подработки.
Добыча угля на ряде шахт ЛНР производится на глубинах 1000 м и более. Поэтому при ежегодном увеличении глубины очистных работ необходимым и актуальным стало совершенствование методик действующих нормативных «Правил.» [1, 2] для расчета ожидаемых максимальных оседаний земной поверхности.
Постановка задачи. Задачей данного этапа исследований является совершенствование методики расчета цт разработка оперативного способа определения ожидаемых максимальных оседаний земной поверхности при ее подработке на больших глубинах.
Изложение материала и его результаты. Для решения поставленной задачи нами выполнен анализ литературных источников, влияющих на цт факторов (да, а, Д1, Д2, отношений мощности наносов h к Н, степени метаморфизма «марки угля», прочности и мощности слоев пород), теоретические исследования, сбор результатов натурных наблюдений.
По выполненным исследованиям получены следующие результаты:
1. Установлено, что в «Правилах.» [1, 2] в формулах (1, 2) при вычислениях коэф-
фициентов степени подработанности земной поверхности вкрест простирания N и по простиранию N поправки АД в подкоренных выражениях целесообразно не учитывать, так как: при 1/Н = 0 (целика нет) АД в зависимости от Н изменяется от 0,14 до 0,04; при 1/Н = 0,6 и более АД колеблется в переделах от -0,22 до -0,07 (табл. А.2 [1]); при 1/Н = 0,4 (в угольных районах, кроме антрацита) АД = 0 при Н от 100 до 1000 и более метров, значит, вычисленные щт при любых значениях Н будут постоянными (рис. 1, прямая 9).
Í
0,9
Н + адп + ДДв J, (1)
N2 =.
Í
0,9
Н + АДпр +^Допр
(2)
где АДп, АДв, АДпр, АДопр — поправки к относительной длине лавы за счет целика соответственно со стороны падения, восстания, простирания и обратной простиранию, определяемые с учетом отношения размеров целика l к Н по таблице А.2 [1].
2. Натурными наблюдениями установлено [7], что над целиком шириной (0,2-0,4)l/H происходит суммирование горизонтальных деформаций растяжений от динамической полумульды и образовавшейся новой мульды и, аналогично, кривизны выпуклости, которые в 2 раза больше максимальных деформаций над разрезной печью и в 5 раз больше соответствующих деформаций над движущимся очистным забоем.
3. Расчет максимальных оседаний земной поверхности следует выполнять по скорректированной формуле
г/т = q0 • m• cosa-N1 • N2 -КР • Н , м>0, (3)
где q0 — относительная величина максимального оседания, определяемая в соответствии с таблицей А.1 [1], безразмерная величина;
m — вынимаемая мощность пласта, м;
Науки о земле
а — угол падения пласта, град;
N — коэффициенты, характеризующие степень подработанности земной поверхности соответственно вкрест простирания и по простиранию, безразмерные величины, определяемые по формулам
N1 = J0,9 А, N2 =
0,9Д2, (4)
где Д1, Д2 — размеры выработанного пространства соответственно по падению и по простиранию пласта. Если N1 и N2 > 1, их следует принимать равными 1. В случае, когда N1 и N2 < 0,20, их следует принимать равными 0,20;
КР — коэффициент остаточных межслоевых расслоений (разуплотнений) подработанного массива пород, зависящий от литологии толщи, мощности, прочности слоев горных пород, установленный натурными наблюдениями (табл. 1) [8, 9], теоретическими исследованиями [10] и рекомендуемый на данном этапе при первичной подработке в антрацитовых районах Донбасса КР = 3 10-7 1/м2, в районах залегания углей марок Ж, К, ОС, Т и Д-Г при h/Н< 0,3 КР = 2,5 10-7 1/м2, в районах углей марок Д-Г при h/H > 0,3 Кр = 210-7 1/м2 и требующий
подтверждения результатами натурных наблюдений при добыче угля на больших глубинах. При повторных подработках в антрацитовых районах рекомендуем КРП = 2,5 10-7 1/м2, в остальных районах — КрП = 210-7 1/м2.
4. По формуле (3) выполнен расчет максимальных оседаний земной поверхности цт (табл. 2) в тех же горногеологических условиях, что и по «Правилам...» [1, 2], 1972 г., 1981 г. (рис. 1).
5. По вычисленным значениям цт построены графики зависимости щт от Н, Д1 = 2000 м (рис. 2-4), при различных Д2/Н в пределах от 0,2 до 1,2, которые убедительно показывают степенную зависимость максимальных оседаний земной поверхности от глубины подработки, зависимость от степени подработанности (отношения Д2/Н), в районах залегания антрацита (табл. 2, рис. 2), углей марок Ж, К, ОС, Т и Д-Г при h/H < 0,3 (qo = 0,8) (рис. з) и в районах залегания углей марок Д-Г при h/H>0,3, степени подработанности земной
поверхности по простиранию Д2 от 0,2
до 1,2, Д1 = 2000 м (рис. 4).
Таблица 1
Сопоставление вычисленных по формуле (3) цр и фактических Пф оседаний земной поверхности
Наблюдательные станции Пласт m, м а0 Дь м Д2, м Н, м Пф, м Пр, м An, %
1 ш. Западная л. 602 и 604 к2 0,95 7 402 725 488 0,457 0,457 0,0
2 № 1 ш. Южная л. 1522 и 1524 % 1,5 8 420 850 724 0,628 0,647 3,0
3 № 8 ш. Южная л. 1518 и 1520 % 1,4 8 430 900 678 0,600 0,646 7,7
4 № 26 ш. Южная л. 1522 и 1524 % 1,5 8 430 850 748 0,751 0,675 -10,1
5 № 15 ш. Нежданная л.1025 и 1027 к2 0,85 6 340 760 258 0,610 0,614 0,6
6 № 16 ш. Нежданная л.1025 и 1028 К2 0,82 6 340 760 267 0,628 0,591 -5,9
7 № 8 ш. Красина л. 1106 и 1108 К2 0,85 8 380 900 245 0,688 0,658 -4,4
Науки о земле
Таблица 2 Зависимость цт от Н и от Д2/Н при qо = 0,75, т = 1 м, а = 5°
Н, м Пт, ММ
Д2/Н
0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
100 314 446 546 631 706 745
200 305 437 537 622 697 736
300 290 422 522 607 682 721
400 269 401 501 586 661 700
500 242 374 474 559 634 673
600 209 341 441 526 601 640
700 170 302 402 487 562 601
800 125 257 357 442 517 556
900 74 206 306 391 466 505
1000 17 149 249 334 409 448
1100 0 86 186 271 346 385
1200 17 117 202 277 316
1300 0 42 127 202 241
1400 0 46 121 160
1500 0 34 73
1600 0 0
Графики зависимости п от Н (рис. 2-4) между собой отличаются на всех глубинах разностью Ап, вызванной различием в степени метаморфизма (прочности) подработанного массива пород (коэффициентами дс, Кр в формуле (3)).
0 100 200 300 400 500 600 700 80
100
200
300
400
500
600
700
S00
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600 Н, м
1 1 1
0,2 16 1 8 [1,2
0,4 h j
I
А ff
f jjrß
А
4
%,,мм
Рисунок 3 Графики зависимости пт от Н и от Д2/Н при q0 = 0,8, Кр = 2,5-10-7 1/м2
Рисунок 2 Графики зависимости пт от Н и от Д2/Н при q0 = 0,75, Кр = 3 107 1/м2
Рисунок 4 Графики зависимости пт от Н и от Д2/Н при q0 = 0,85, Кр = 2-10-7 1/м2
6. Сопоставление вычисленных по аналитическому выражению (3) максимальных оседаний земной поверхности пвыч с фактическими пф, установленными натурными наблюдениями в Восточном Донбассе (табл. 1) [9], показывает, что максимальное расхождение Ап составило 10,1 %, а среднее алгебраическое отклонение равно
Науки о земле
Ацср = -1,3 %, это вполне приемлемо на данном этапе исследований.
7. В совокупности графики зависимости Щщ от основных влияющих факторов (рис. 2-4) позволили сформулировать экспресс метод определения цщ на угольных шахтах при выборе схемы подработки
(отношения Д2 ) ответственных объектов
земной поверхности с минимальными оседаниями и деформациями в такой последовательности:
- в зависимости от марки добываемого угля выбираем один из графиков зависимости из рисунков 2-4 (в примере — район антрацита (рис. 2));
- в зависимости от фактической глубины разработки Н (возьмем 700 м, рис. 2,
q0 = 0,75) и степени подработанности
Д2
= 0,5 (точка А по горизонтали) в соответствии со шкалой цщ (с учетом масштаба) графически определяем цщ в точке А Пт = 0,350 м;
- для учета вынимаемой мощности тв разрабатываемого конкретного пласта умножаем 0,35 на —j— (на рисунках т = 1 м),
а для учета угла наклона пласта а полученный результат умножаем на отношение
cosa _ л
в ^^ , так как расчет щт и рисунки 2-4
выполнены при а = 5° (cos 5° = 0,997), и в итоге получим оперативно максимальное
оседание в заданной точке в конкретных горно-геологических условиях
= 0,35. ^.
1 0,997
м.
(5)
Выводы и направления дальнейших исследований.
1. Скорректированная методика позволяет получать адекватные и сопоставимые с результатами натурных наблюдений максимальные оседания земной поверхности при глубинах подработки до 1600 м (табл. 1, 2).
2. Построенные графики зависимости Щт от Н (рис. 2-4) позволяют оперативно в конкретных горно-геологических условиях экспресс-методом определять ожидаемые максимальные оседания земной поверхности с достаточной точностью, что необходимо знать при выборе мер охраны подрабатываемых сооружений и планировании очистных работ под ними с минимальными оседаниями.
3. Изложенная методика расчета щт использована в проекте «Правил охраны сооружений...» ЛНР, которые проходят согласования в организациях ЛНР. Коэффициенты Кр требуют подтверждения результатами натурных наблюдений при добыче угля на глубинах более 600 м.
Дальнейшие исследования авторов будут направлены на подготовку экспресс-метода определения наклонов и горизонтальных деформаций земной поверхности и производство натурных наблюдений при их финансировании.
Библиографический список
1. ГСТУ 101.00159226.001-2003. Отраслевой стандарт Украины. Правила подработки зданий, сооружений и природных объектов при добыче угля подземным способом [Текст]. — Введ. 2004-01-01. — К. : УкрНИМИНАН Украины, 2004. — 128 с.
2. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях [Текст] : ПБ 07-269-98: утв. Госгортехнадзором Рос. Федерации 16.03.1998. — Введ. 1998-10-01. — СПб. : Межотраслевой науч. центр ВНИМИ, 1998. — 291 с.
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.
Науки о земле
4. Ларченко, В. Г. Максимальные оседания и деформации земной поверхности при подработке на больших глубинах [Текст] / В. Г. Ларченко, Е. В. Коваленко, Ю. А. Маталкина // Сборник научных трудов ДонГТУ. — 2018. — Вып. 11 (54). — С. 33-40.
5. Ларченко, В. Г. Совершенствование методики расчета ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности при добыче угля [Текст] / В. Г. Ларченко, Е. В. Коваленко, Ю. А. Маталкина // Сборник научных трудов ДонГТУ. — 2019. — Вып. 15 (58). — С. 20-26.
6. Ларченко, В. Г. Зависимость сдвижений деформаций земной поверхности от глубины подработки [Текст] / В. Г. Ларченко, Е. В. Коваленко, Ю. А. Маталкина // Горная геология, геомеханика и маркшейдерия : сборник научных трудов VI международной научно-технической конференции. — Донецк : РАНИМИМО и Н ДНР, 2019. — № 8 (23). — Часть I. — С. 129-134.
7. Ларченко, В. Г. Зависимость горизонтальных деформаций земной поверхности от ширины выработанного пространства и размеров целиков [Текст] / В. Г. Ларченко // Вестник МАНЭБ. — СПб., 2000. — № 2 (26). — С. 30-32.
8. Ларченко, В. Г. Практические результаты исследований деформаций земной поверхности при отработке свиты пологих угольных пластов [Текст] / В. Г. Ларченко // Форум г1рник1в — 2009 : матер1али М1жнародног конф. — Днепропетровск : НГУ, 2009. — С. 222-230.
9. 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. — Часть 2. — С. 282-294.
10. Ларченко, В. Г. Определения зависимостей параметров сдвижений и деформаций подработанной толщи пород от определяющих факторов методом конечных элементов [Текст] /В. Г. Ларченко, О. А. Черных //Вестник МАНЭБ. — СПб., 2006. — № 22. — С. 16-24.
© Ларченко В. Г.
© Маталкина Ю. А.
© Коваленко Е. В.
Рекомендована к печати к.т.н., доц. каф. РМПИ ДонГТИ Леоновым А. А., нач. отд. геологии и недропользования Минтопэнерго ЛНР Тихомировой Е. В.
Статья поступила в редакцию 11.03.2021.
PhD in Engineering Larchenko V. G., Matalkina Yu. A., Kovalenko E. V. (DonSTI, Alchevsk, LPR, larchenko2020@rambler. ru)
OPERATIONAL METHOD OF DETERMINING THE EXPECTED EARTH'S CRUST SUBSIDENCE DURING COAL MINING AT LARGE DEPTHS
Comparative analysis of subsidence calculated according to the current methods of normative "Rules... ", according to the method ofproject "Rules for the protection of structures... " of the LPR and based on the results offield observations. The operational method of calculation the expected maximum subsidence of the earth's crust is given.
Key words: subsidence, earth's crust, method, dependence, depth, development, coal.
