CC BY
15
© A.C. Миронов, B.H. Гусев, A.A. Козлов, 2012
УДК 622.838:69.059.22
A.C. Миронов, В.Н. Гусев, A.A. Козлов
ОРГАНИЗАЦИЯ И ВЫПОЛНЕНИЕ ДЕФОРМАЦИОННОГО МОНИТОРИНГА ПРИ ВЫЕМКЕ СВИТЫ1 УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ПОД ЛИНЕЙНЫМИ СООРУЖЕНИЯМИ НА ШАХТНОМ ПОЛЕ ОАО «РАСПАДСКАЯ»
Дана методика организации и выполнения деформационного мониторинга линейных сооружений на конкретном участке шахтного поля ОАО «Распадская». Приводится неординарный подход к выполнению мониторинговых наблюдений за состоянием линии ЛЭП с высоким напряжением с помощью электронного тахеометра, имеющего безотражательный режим измерения расстояний. В результате обеспечиваются безопасные условия работы наблюдателей, не нарушая нормальной эксплуатации ЛЭП.
Ключевые слова: угольные пласты, шахтное поле, линии ЛЭП, линейные сооружения.
На шахтном поле ОАО «Распадская» линейными сооружениями являются: технологические железная дорога и автодорога, проходящие на разрез «Ольжерасский», линия ЛЭП 110 кВ и теплотрасса. Эти сооружения располагаются на земной поверхности вдоль русла реки «Ольжерас» и приурочены к восточному участку 4-го блока шахтного поля (рис. 1).
Первоначально при разработке угольных пластов рабочей свиты на малых глубинах, от их выходов под наносы, под указанными сооружениями, как и под руслом реки «Оль-жерас», были оставлены предохранительные целики. Первичная подработка этих линейных сооружений произошла в 2003 году на минимальной глубине 165 метров лавой 5а-10-14 по пласту 10-му, являющегося на этом участке шахтного поля верхним пластом разрабатываемой свиты. Далее одноразовая подработка рассматриваемых объектов была произведена
и другими пластами на этом участке шахтного поля: 6-6а лавой 5а-6-16 в 2003 году, 3-3а лавой 5а-3-4 в 2009 году и снова пластом 10-м лавами 5а-10—16 и 5а-10-18 в 2005 и 2009 годах соответственно. При расчетах прогнозных деформаций для условий однократной подработки линейных сооружений и сравнений их с допустимыми, как правило, не требовалось применения каких-либо мер их охраны. Фактические деформации земной поверхности, полученные по результатам натурных измерений по грунтовым реперам наблюдательных станций над каждой лавой, практически совпали с расчетными значениями.
На начало 2010 года, при развитии горных работ на севере рассматриваемой площади шахтного поля, уже произошла повторная подработка линейных сооружений лавой 5а-7-26 по пласту 7-7а (в 2009 году) после их подработки верхним пластом 10-ым лавами 5а-10-16 и 5а-10-18 (см. рис. 1).
/' Граница юны миннин ¿опных Мфот& 1л (
' ^ ы, |
Г4 п г- 1
г1 г
5(1 1Я> ПН)
1, 5000
Рис. 1. Границы зоны опасных деформаций и мульды сдвижения, которые сфор мируются при отработке лавы 5а-7-28:
о — рабочие реперы профильной линии; - — опорные реперы для профильной линии
Выполнение 1-го этапа деформационного мониторинга иллюстрируется примером для лавы 5а-7-28 по пласту 7-7а, которая будет повторно подрабатывать названные линейные сооружения на земной поверхности в
2010 году. На плане горных выработок (см. рис. 1), в первую очередь, проводятся границы мульды сдвижения по граничным углам, зоны опасных деформаций по углам сдвижения и линия максимального оседания по
углу максимального оседания в соответствии с действующими «Правилами охраны...» [1]. Положения границ влияния лавы 5а-7-28 по соответствующим угловым параметрам процесса сдвижения определялись по геологическому разрезу (рис. 2) с учетом его диагонального направления к главному сечению мульды сдвижения вкрест простирания пласта. Кроме этого, при определении угловых и деформационных характеристик учитывалось влияние повторной подработки (смежные выработки, вышележащие пласты). Длина участка железной дороги, находящегося в зоне влияния горных работ — 780 м, в зоне опасных деформаций — 620 м (рис. 1).
Железная дорога по своим характеристикам согласно упомянутым «Правилам охраны . » относится к транспортным сооружениям IV категории. В этом случае отработка лавы 5а-7-28 под железной дорогой может производиться, если максимальные расчётные деформации от отработки этой лавы не превысят следующих значений допустимых деформаций: Едоп = 8-10-3; /доп = 1010-3; Ядоп = 6,5 км, вдоп, /доп, Ядоп соответственно допустимые горизонтальные деформации, наклоны и радиус кривизны.
Согласно прогнозным расчётам максимальные деформации от отработки лавы 5а-7-28 составили: emax = = 9 7 ■ 10-3 i = 21 0 ■ 10-3 Я =
9,7 10 , 'max 21 0 10 , 1 'max
= 4,269 км. Из этого следует, что для рассматриваемых горно-геологических условий отработки лавы 5а-7-28 получается, что втах > вдоп, imax > /доп и Rmax < Ядоп (т. е. кривизна Kmax >
Кдоп). В этом случае отработка лавы 5а-7-28 под железной дорогой может производиться только с применением горной меры охраны, например, такой, как выемка пласта 7-7а на неполную мощность.
Однако вышеприведённые расчёты сдвижений и деформаций выполнены по принятой в «Правилах охраны...» методике расчёта, которая не учитывает наличие во вмещающих породах Распадского месторождения мощных слоёв песчаников и алевролитов, труднообрушаемых (тяжёлых) кровель и зависание крепких слоёв песчаника в зоне сдвижения горных пород. Поэтому были выполнены расчёты сдвижений и деформаций с учётом лито-логического состава пород вмещающей толщи. Согласно этим расчётам максимальные деформации от отработки лавы 5а-7-28 составили: Ятах = = 6,690 км, Етах = 5.328-10-3, /тах = = 13,0-10 3. Сравнение расчётных деформаций с допустимыми показало следующее: Ятах будет на 3 % больше допустимого (Ядоп = 6,5 км) и следовательно Ктах будет на 3 % меньше допустимой Кдоп; Етах — на 34 % меньше допустимой (едоп = 8-10-3); /тах — на 30 % больше допустимого (/Доп = 10-10-3). В этом случае подработка железной дороги может производиться без применения горных мер с обязательной закладкой наблюдательной станции вдоль железной дороги в пределах зоны влияния горных работ по лаве 5а-7-28 с организацией систематических инструментальных наблюдений с целью оперативного решения вопросов по выправлению железнодорожного полотна от действия горизонтальных деформаций, наклонов и кривизны.
Автомобильная дорога, подрабатываемая лавой 5а-7-28, относится к разряду объектов, которые охраняются от образования под ними провалов и больших трещин. Выемка пластов под таким объектом может производиться на глубинах (ДрОВал) не менее 20т при углах падения пластов а < 45°. В рассматриваемых горно-геологических ус-
ловиях а = 7°, следовательно: ДрОВал = 20 х 3,83 = 76,6 м. Поскольку глубина горных работ по лаве составляет 306 м, то провалов и больших трещин в полотне автомобильной дороги не будет.
Отработка лавы 5а-7-28 под опорами № 19, № 20, № 21, № 22, № 23 высоковольтной воздушной ЛЭП-110 кВ согласно «Правилам охраны . » может производиться на глубине не менее безопасной рассчитанной по формуле: Нб = Кб ■ т, где т — вынимаемая мощность пласта (по лаве 5а-7-28 она составляет 3,83 м); Кб — коэффициент безопасности, который для промежуточных угловых опор ЛЭП-110 кВ (опора № 23) составляет Кб=75, а для промежуточных прямых (опоры № 19, № 20, № 21, № 22) — Кб = 60.
Учитывая, что разрыв во времени между отработкой пласта 10-го лавой 5а-10-18 и пласта 7-7а лавой 5а-7-28 превышает продолжительность процесса сдвижения в данных условиях (8 мес.) и принятая схема отработки лавы 5а-7-28 не даёт накопления однозначных деформаций от предыдущей отработки (отработка лавы 5а-10-18), безопасная глубина может подсчитываться отдельно для пласта 7-7а (как для одиночного пласта): безопасная глубина для промежуточной угловой опоры № 23 ЛЭП-110 кВ Нб = Кб ■ т = 75 ■ 3,83 м = 287 м; для промежуточных прямых опор (опоры № 19, № 20, № 21, № 22) Нб = Кб ■ т = 60 ■ 3,83 м = 230 м.
Так как глубина горных работ по лаве 5а-7-28 на участке подработки опор № 19, № 20, № 21, № 22, № 23 составляет 306 м, то из этого следует, что горные работы по лаве 5а-7-28 будут проводиться ниже горизонта безопасной глубины, что не потребует применение горных и конструктивных мер охраны. Но поскольку опоры ЛЭП, на-
ходящиеся в пределах границы мульды сдвижения, испытывают влияние наклонов и горизонтальных сдвижений, то в качестве охранных мероприятий потребуется выравнивание опор и перепуск проводов для выравнивания их натяжения до нормы.
Изменение натяжения проводов на участках между опорами происходит за счёт наклона опор и горизонтальных сдвижений. Совместное действие этих факторов определяет насколько опустилась или поднялась середина пролёта проводов между опорами. Опускание середины пролёта соответствует уменьшению натяжения проводов, поднятие — увеличению натяжения. На данном этапе деформационного мониторинга был произведен прогноз увеличения-уменьшения провиса проводов между опорами от действия на опоры наклонов и горизонтальных сдвижений, а на рис. 3 приведена принципиальная схема воздействия этих факторов на изменение натяжения проводов между подрабатываемыми опорами № 19, № 20, № 21, № 22, № 23.
Из приведённого прогноза влияния подработки на опоры и провода воздушной ЛЭП вытекают следующие оценочные положения:
• наибольшее изменение натяжения проводов в сторону увеличения (или уменьшения провиса проводов) будет между опорами № 19 и № 20, № 22 и № 23;
• наибольшее изменение натяжения проводов в сторону уменьшения (или увеличения провиса проводов) будет между опорами № 21 и № 22;
• самое большое влияние наклонов и горизонтальных сдвижений при отработке лавы 5а-7-28 будет оказано на опоры № 21 и № 22 и провода между ними.
Рис. 2. Геологический разрез по III р.л.
Рис. 3. Схема к прогнозному расчёту увеличения провиса проводов вследствие подработки опор ЛЭП: Д19, Д20, Д21, Л22, Л23 — смещение точки подвеса проводов к верхней траверсе опоры за счёт действия наклонов в местах расположения опор относительно границ мульды сдвижения; £19, £20, £21, £22, £23 — горизонтальные сдвижения в местах расположения опор относительно границ мульды сдвижения; у21, у22, ... — углы наклона опор, соответствующие наклонам участков их расположения; Р19-20, р20-21, р21-22, р22-23 — опускание-поднятие середины провеса (пролёта) проводов; /20-21, /20-21, /21-22, /22-23 — расстояния между опорами
Второй этап деформационного мониторинга для железной дороги заключается в заложении в ее полотне до подработки лавой 5а-7-28 наблюдательной станции с грунтовыми реперами с целью определения его профиля через 20 м. Положение профильной линии наблюдательной станции определяется, исходя из границ зоны влияния горных работ (см. рис. 1) с учётом возможного наращивания насыпи в процессе ведения горных работ. При разработке проекта наблюдательной станции следует руководствоваться рекомендациями действующей «Инструкции по наблюдениям ...» [2]. В проекте станции необходимо предусмотреть нивелирование железнодорожного пути по головкам рельс напротив мест заложения грунтовых реперов. Частота наблюдений в период активной стадии процесса сдвижения по грунтовым реперам — не реже одного раза в 2 недели, нивелирование по головкам рельс не менее одного раза в неделю.
Для принятия решения по выравниванию опор и перепуску проводов в период отработки лавы 5а-7-28 необходимо проводить специальные мониторинговые наблюдения за состоянием ЛЭП. Учитывая специфику объекта, заключающуюся в его реакции на подработку, предлагается следующий способ второго этапа деформационного мониторинга технического состояния ЛЭП [3]. На подрабатываемом участке ЛЭП между соседними опорами закладываются опорные точки, отстоящие в плане от линии ЛЭП на 50^100 м. Определяются координаты этих точек (можно в условной системе координат). Затем на одну из опорных точек устанавливают электронный тахеометр и с его помощью производят определение координат трёх точек на проводе между опорами,
подвешенном к самой высокой траверсе:
• координаты точки подвеса к траверсе одной опоры;
• координаты точки подвеса к траверсе другой опоры;
• координаты середины пролёта провода между опорами.
Такие измерения повторяют на всех опорных точках, заложенных вдоль подрабатываемого участка ЛЭП, и будут составлять одну серию наблюдений. Частота таких наблюдений — одна-две серии в месяц. Первую серию наблюдений необходимо провести до подхода лавы к ЛЭП, когда расстояние в плане между ЛЭП и линией забоя лавы 5а-7-28 больше, чем (Н ■ ctg 5), где Н — глубина до середины лавы; 5 — угол сдвижения на разрезе по простиранию пласта. Вторая серия наблюдений проводится на момент когда расстояние в плане между ЛЭП и линией забоя лавы равно (Н ■ ctg 5). Последующие серии наблюдений проводятся с указанной частотой в течение периода опасных деформаций (для рассматриваемых условий он составляет — 3 мес.). Разность координат соответствующих точек подвеса провода к траверсам, определённых в разных сериях, даст представление о смещении опор. Разность координат соответствующих середин пролёта провода, определённых в разных сериях, покажет величину поднятия или опускания середин пролётов проводов. Результаты определения координат указанных трёх точек пролётов провода каждой серии для оперативности обработки данных целесообразно загружать в AutoCAD и в этой программной среде непосредственно получать, без каких-либо вычислений, необходимые параметры смещений: опускание (поднятие) середин пролётов провода и изменение положения точек подвеса
провода к траверсам (смешение опор), учитывая оседание опорных точек в плане и по высоте.
Электронный тахеометр для таких работ должен иметь режим безотражательного измерения расстояний. В этом случае измерения производятся, наво-дясь непосредственно на находяшийся под высоким напряжением провод в требуемые точки. В результате деформационный мониторинг можно проводить, не нарушая нормальной эксплуатации ЛЭП, и при соблюдении безопасности для наблюдателей.
Наконец заключительный третий этап деформационного мониторинга состоит в интерпретации натурных наблюдений за сдвижением земной поверхности, сопоставлении фактических параметров деформаций с расчетными значениями, анализе результатов наблюдений за состоянием подрабатываемых сооружений и на основе этого — в принятии, при необходимости, оперативных мер по охране этих сооружений и обеспечению нормальных условий их эксплуатации.
1. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. - СПб., 1998. - 291 с.
2. Инструкция по наблюдениям за сдвижением горных пород, земной поверхности и подрабатываемыми сооружениями на
Результаты деформационного мониторинга, выполненного при повторной подработке рассматриваемых линейных сооружений вышерасположенной по восстанию пласта 7-7а лавой 5а-7-26 в аналогичных горногеологических условиях показали практическое совпадение фактических и расчетных значений оседаний земной поверхности. Каких-либо нарушений режима эксплуатации подработанных сооружений отмечено не было, их техническое состояние осталось удовлетворительным и применение мер по их охране не потребовалось. Все это доказывает, что процесс сдвижения поверхности в данных горно-геологических условиях носит плавный характер, который обеспечивается, по-видимому, равномерным распределением деформаций за счет зависания мошных «пластов-мостов» (песчаников, алевролитов) в подработанной толше горных пород, являюшихся отличительной особенностью Распадского месторождения.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
угольных и сланцевых месторождениях. -М.: Недра, 1989.
3. Патент РФ № 2294289. Способ определения удлинения проводов на участках между опорами высоковольтных линий электрических передач (ЛЭП)./ Гусев В.Н., Абрамович Б.Н., Волохов Е.М., Евсеев А.Н. Опубл. 27.02.2007. Бюл. № 6. Е2Е
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Миронов A.C. — кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник Научного центра геомеханики и проблем горного производства,
Гусев В.Н. — доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой маркшейдерского дела. Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет), [email protected]
Козлов A.A. — главный маркшейдер шахты «Распадская».
