CC BY
9ISSN 0136-4545 !Ж!урнал теоретической и прикладной механики.
№2-3 (67-68) / 2019.
ГЕОМЕХАНИКА, РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД, РУДНИЧНАЯ АЭРОГАЗОДИНАМИКА И ГОРНАЯ ТЕПЛОФИЗИКА
УДК 622.831, 622.23.02
©2019. В.В. Васютина, Ф.М. Голубев, Л.И. Нестерова
ОСОБЕННОСТИ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В МАССИВЕ ПРИ КОНСЕРВАЦИИ ШАХТ
В настоящей статье с применением экспериментальных и лабораторных исследований описан механизм деформационных процессов, происходящих в горном массиве при его намокании. Установлено, что выемка угольных пластов приводит к деформации и обрушению пород, а деформации пород (сдвижения) при развитии горных работ на большой площади могут распространяться вплоть до земной поверхности. Сдвижение вызывает в породах деформации сжатия, растяжения и сдвига. При отработке двух сближенных пластов в толще горных пород будут образовываться зоны повышенного напряжения с наложением зон деформаций друг на друга, что может повлечь за собой дополнительные деформации и образования больших зон расслоения и трещинообразования.
Ключевые слова: сдвижения земной поверхности, затопление горных выработок, ликвидация шахт, МКЭ модели.
Введение. По программе реструктуризации украинской угольной промышленности в Донбасском регионе в последние десятилетия был закрыт ряд горнодобывающих предприятий. Однако необходимые данные по оценке возникающих при этом геомеханических процессов в горных массивах и их негативному воздействию на земную поверхность отсутствуют.
Как показал опыт закрытия шахт в Центральном районе Донбасса, с наибольшими осложнениями эти процессы протекают при наложении зон влияния от одновременно отрабатываемых свит угольных пластов, что характерно для крутого падения. Также влияние на деформационные процессы в горном массиве оказывает тектоническая нарушенность [1, 2].
Для предотвращения возможного возникновения аварийных ситуаций при активизации геомеханических процессов в массивах и на поверхности с затоплением выработанного пространства необходима разработка надежных способов их прогнозирования. Это позволит снизить риск возникновения техногенных ситуаций, связанных с процессами провалообразования и подтопления на территориях уже законсервированных объектов и территориях рядом расположенных действующих горнодобывающих предприятий.
Процесс сдвижения земной поверхности в Центральном районе Донбасса существенным образом отличается от процессов, происходящих в других геолого-промышленных районах. Эти отличия проявляются не только по сравнению с пологим залеганием, но и с деформационными процессами при разработке крутых пластов в других районах. Основное принципиальное отличие состоит в образовании на земной поверхности ступенчатообразной мульды с сосредоточенными деформациями в виде уступов [2], возникновение которых сопровождается значительными горизонтальными и вертикальными деформациями. Такое проявление сдвижения на земной поверхности объясняется двумя основными причинами:
- большим количеством совместно отрабатываемых пластов;
- малой мощностью четвертичных отложений (от 0 до 4 м), что не дает возможности сглаживать сдвижения, происходящие в коренных породах карбона
[3].
Поэтому при исследовании активизации геомеханических процессов на территории горных отводов законсервированных шахт Центрального района Донбасса необходимо учитывать особые горно-геологические и горнотехнические условия, а также специфику деформирования земной поверхности.
Существенное влияние на деформации земной поверхности при разработке свит пластов оказывает взаимное положение горных выработок в разных пластах, порядок и сроки их отработки. Так, при расположении границ очистных выработок в сближенных пластах примерно в одной вертикальной плоскости происходит наложение зон деформаций друг на друга, и сумма их в несколько раз превышает значения деформаций, возникающих от влияния одного отдельно взятого из этих пластов [4].
В окрестностях очистных выработок образуется большое число трещин расслоения, а над границей выработанного пространства формируются пустоты, вызванные зависанием пород кровли над целиком [5]. Это объясняется тем, что горный массив сложен вмещающими породами различной прочности и мощности, которые не могут одинаково изгибаться в подработанных слоях [6], что в дальнейшем является причиной активизации процесса сдвижения при затоплении закрывающихся шахт. Техногенная трещиноватость массива обусловлена воздействием на него горного давления при процессах разработки массива.
С повышением метаморфизма породы становятся более прочными, что в меньшей степени влияет на процесс деформации и сдвижения боковых пород. Поэтому с повышением степени метаморфизма деформации на поверхности проявляются в менее неоднородной форме, т.е. без образования ярко выраженных уступов, которые наиболее часто встречались в районе ГП «Дзержинскуголь» и «Артемуголь».
Механизм деформирования кровли при различных способах управления горным давлением на крутых и крутонаклонных угольных пластах отличается от пологого падения. Наибольшие отличия выявлены при отработке крутых угольных пластов щитовыми агрегатами, когда угольный пласт отрабатывается ши-
рокими полосами (шириной 60-120 м) по падению, т.е. выемка начинается с вентиляционного горизонта и забой перемещается вниз до откаточного [7]. Наблюдения показывают, что при отработке пласта щитовым агрегатом максимальные деформации пород реализуются под вентиляционным горизонтом. В толще подработанных пород в направлении вверх от выработанного пространства условно можно выделить три зоны, характеризующиеся различной степенью нарушен-ности горного массива:1) зона обрушения пород кровли в очистном забое; 2) зона прогиба с нарушением слоев в виде трещин; 3) зона плавного прогиба без нарушения сплошности слоев.
В процессе разрушения породы непосредственной кровли образуют своеобразную характерную зону, называемую зоной интенсивного дробления или разрыхления. В дальнейшем в этой зоне происходит уплотнение, а в ряде случаев слеживание пород. В этой зоне обрушение пород непосредственной кровли не вполне беспорядочны. Основная особенность разрыхления заключается в образовании «гребней» по простиранию и по падению вследствие налегания блоков обрушившихся слоев друг на друга.
При подработке двух сближенных пластов в толще горных пород будут образовываться зоны повышенных напряжений с их взаимным наложении, что может повлечь за собой дополнительные деформации и образования больших зон расслоения и трещинообразования.
Непосредственно над выработанным пространством находится зона интенсивного разрыхления, которую ориентировочно можно определить по формуле
[4]:
_ (ш-М ( )
где т - вынимаемая мощность разрабатываемого пласта;
Нс - предел свободного опускания основной кровли;
кср - средний коэффициент разрыхления.
Приведенная формула в основном справедлива для пластов всех углов падения, хотя при отработке крутых пластов имеются некоторые особенности.
Смещение пород кровли в вышележащей части по высоте отрабатываемой полосы (столба) в 1,5 раза ниже из-за присутствия закладки. Нижние слои непосредственной кровли смещаются вниз за щитовым агрегатом на 20-30 м, что соответствует длине породной подушки, а в нижней части кровля почти не об-рушается.
Оседание горного массива при щитовой выемке имеет ярко выраженный ас-симетричный вид - максимум оседаний реализуется над местом пересечения пласта с горизонтом. При намокании массива кривая оседаний также имеет ассиметричный характер, а показатели увеличиваются на величину осадки примерно 15 - 30 %. В ходе деформационных процессов в массиве возможно разрушение межэтажных целиков, что приводит к перепуску боковых пород.
Следует учесть тот факт, что по данным шахтных исследований обрушенные породы в выработанном пространстве имеют различную крупность кусков в
зависимости от расстояния до вентиляционного штрека.
В нижней части отработанной полосы обрушенные породы имеют крупность кусков размером (0,1-0,2) х (0,25-0,6) х (0,3-0,7) м. Это объясняется тем, что эти породы перемещались, как правило, с верхней части полосы вслед за щитовым агрегатом, образуя своеобразную породную подушку. Расположенная выше по столбу обрушенная порода представляет другие слои, которые обрушались уже кусками (0,1-0,8) х (0,25-1,5) х (0,9-2,5) м и имеют больший коэффициент разрыхления. В верхней части столба в районе бывшей монтажной ниши образуются своеобразные полосы на высоту до 6 мощностей (6m) вынутого пласта и длиной до 20 м по падению, где обрушенная порода практически не заполняет выработанное пространство, т.к. вышележащие слои основной кровли образуют устойчивые пролеты или блочно-шарнирные системы [8]. Как показывают замеры, площадь обнажений пород может достигать 800 - 1700м2 [1].
Обрушивающиеся породы, разрыхляясь, частично подбучивают образовавшуюся полость. Оставшиеся полости создают условия для дальнейшего развития воронки обрушения, которая в соответствующих условиях может достичь поверхности.
При изучении механизма деформационных процессов, происходящих в горном массиве, экспериментальными и лабораторными исследованиями установлено, что выемка угольных пластов приводит к деформации и обрушению пород, залегающих выше пласта, а при развитии горных работ на большой площади деформации пород (сдвижения) могут распространяться вплоть до земной поверхности. Сдвижение вызывает в породах деформации сжатия, растяжения и сдвига.
При отработке нижележащего пласта в свите, в его кровле происходят процессы деформирования и обрушение слагающих её пород, в результате чего в этот процесс вновь вовлекаются породы уже отработанного выше пласта. Если процесс деформирования к этому моменту уже закончен, то он снова возобновляется, а если этот процесс находится в стадии затухания, то происходит его активизация и в него вовлекаются новые слои пород кровли. На рисунке 1 представлена схема развития процесса обрушения и перемещения пород кровли при намокании почвы в сближенных крутых пластах.
Вследствие дополнительного уплотнения обрушенных пород свод обрушения в верхней части лавы увеличится на высоту до 6 m, а по длине лавы он распространится до ее середины. На рисунке 1 видно, что почва подработанного и кровля надработанного пласта нарушена многочисленными трещинами, образовавшимися после технологического процесса отработки пластов: при оставлении целиков под и над вентиляционными штреками произойдет их частичное разрушение.
Возможен также и перепуск пород с вышележащего горизонта, что происходит до поступления воды в вышележащие горизонты и позволяет возобновить процесс деформации пород кровли над выработанным пространством. Таким образом, будет затронута площадь подработки большая, чем площадь затопле-
Рис. 1. Схема разрушения пород основной и непосредственной кровли при разработке крутых
пластов после затопления.
ния; на верхних горизонтах, как правило, расположены старые горные выработки. Такая картина имеет место, если отработка пластов велась в основном по камерно-столбовой системе в нисходящем порядке, при которой выработанное пространство крепилось забойщицкой деревянной и органной крепью, оставляемой в выработанном пространстве.
Для сравнения картины протекания геомеханических процессов по ранее представленной схеме была создана конечно-элементная упруго-пластическая модель. Математическое моделирование, осуществляемое при помощи аналитических и численных методов - один из основных современных методов, позволяющих исследовать и пронаблюдать реальную картину напряженно-деформированного состояния породного массива при решении различных задач геомеханики. Он дает возможность получать качественные характеристики и количественные зависимости. При этом аналитические методы основаны на значительном упрощении решаемых задач и требуют наличия развитого математического аппарата. Основной прием при применении аналитических методов - упрощение задачи до известных решений теории упругости или сопротивления материалов, представление слоев пород в виде плит или балок, жестко защемленных или на упругом основании. Такое упрощение в постановке задачи не позволяет получить надежный результат. Аналитическое решение задачи сдвижения горного массива при затоплении выработанного пространства горных выработок сложно получить ввиду отсутствия необходимых исходных данных и упрощенных решений.
Поэтому в геомеханике в последнее время широко используются численные методы моделирования, обладающие более широкими возможностями и получившие новое развитие, в частности с появлением высокоскоростных ЭВМ. Ос-
новные численные методы, реализуемые при решении задач прочности в различных областях техники: метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод граничных элементов, метод дискретных элементов, комбинированные методы. При этом лидирующее положение занимает метод конечных элементов (МКЭ), основные идеи которого были заложены Р. Курантом и Д. Гильбертом.
При создании конечно-элементной модели задавались следующие характеристики для каждого из пластов: модуль Юнга, коэффициент Пуассона, плотность, угол внутреннего трения, удельное сцепление.
Размеры модели и граничные условия задавались согласно принципам, описанным в [9 - 14]; общая ширина расчетной области модели принималась равной ширине 7-8 лав. На основании моделирования исследовались сдвижения массива в модели между лавами (рисунок 2).
Рис. 2. Конечно-элементная модель деформации горного массива.
В результате, моделирования видно, что даже на весьма тонких пластах, в условиях крутого падения, горизонтальные сдвижения в массиве между лавами могут превышать 240 мм, что подтверждает схему деформации горного массива между лавами, полученную опытным путем.
При заполнении водой этих выработок горные породы будут намокать, в результате чего будет происходить их обрушение в выработанное пространство, что способно повлечь за собой развитие этого процесса до поверхности с возможным образованием деформационных воронок.
В подавляющем большинстве случаев нарушение сплошности пород и высота зоны первичного обрушения сравнительно невелика и на величину от 1,5 до 3 кратная мощности пласта.
Вышележащие слои прогибаются плавно или с образованием разломов и блоков, шарнирно связанных друг с другом. Специально проведенными исследованиями на шахтах Донбасса, установлено, что средняя кратность высоты обрушения к мощности пласта в различных горно-геологических условиях составляет 1,9, а в некоторых случаях не превышает 1,0 [7].
Если рассматривать аргиллиты, то при намокании они набухают, что способствует их пластифицированию. Как показывают лабораторные исследования образцов из аргиллита, при влажности около 6-8 % в их структуре еще сохраняется целостность, но прочность уменьшается в 3-4 раза по сравнению с не увлажненными образцами [15 -17]. Но при достижении более 14 % дополнительной влаги образцы разрушаются. Это свидетельствует о том, что в выработанном пространстве обрушившиеся породы кровли и почвы, а это, к примеру, глинистый сланец, будут быстро намокать и разрушаться. Под действием сил тяжести эти породы будут перемещаться вниз и уплотняться. Можно оценить степень уплотнения мокрых обрушенных пород исходя из компрессионных свойств сухой и мокрой закладки, применяемой на шахтах крутого и пологого падения. Коэффициент заполнения выработанного пространства при гидравлической закладке из дробленой породы составляет 0,70-0,85, при самотечной, при прочих равных условиях, он составляет уже 0,50-0,65, т.е. в 1,2-1,7 раза меньше [5]. Следовательно, и при намокании горного массива возможно уплотнение обрушенных пород в выработанном пространстве на 20-70 % или в среднем на 30 % с учетом перепуска пород по горизонту.
Известно, что устойчивый пролет пород кровли зависит от их прочности, мощности и геометрических размеров обнажения.
Шаг обрушения пород непосредственной кровли можно определить по формуле [18]:
Ь — 3 ГПн.к
~ ш + 1, 2/ — 4, 8' 1 ]
а шаг обрушения пород основной кровли определяется по формуле [12]:
ь = _7шн-к__(3)
т + 0,6/о.к + 0,1т0.к + 7, 5'
где тн.к - мощность пород непосредственной кровли;
/о.к - крепость пород по М.М. Протодьяконову;
то.к - мощность пород основной кровли.
Как показали расчеты, предельный пролет кровли зависит от прочности пород почти линейно и его можно рассчитать для разных значений прочности при прочих равных условиях [3].
Прогнозирование устойчивого пролета основной кровли можно выполнить на основе уже ранее разработанной классификации по устойчивости, в основу
которой положены критериальные признаки прочности пород, литологичности и структурного состава [19]. Такой поход к критерию устойчивости основной кровли справедлив для прогноза при намокании массива, если учитывать изменение физико-механических свойств, критерия дилатационного изменения подработанной толщи пород.
Учитывая литологические особенности строения кровли угольных пластов, где непосредственно над пластом в основном залегает глинистый или песчано -глинистый сланец, а основная кровля это песчаник, то в нижней части отработанного столба в слоях непосредственной кровли коэффициент разрыхления будет составлять Kp = 1, 2 — 1, 25, ав остальной части выработанного пространства породы более разрыхлены в зависимости от мощности слагающих её слоев. Максимально возможная величина уплотнения составит:
h = H (Kp — Кн) (4)
где H - мощность слоев глинистого сланца; Kp - коэффициент разрыхления;
Кн - коэффициент увеличения объема за счет намокания (Кн = 1, 01). Определение возможной величины уплотнения обрушенных пород позволяет судить о дополнительных деформациях за счет их намокания и уплотнения. Следовательно этот процесс может вызвать активизацию сдвижения за счет уменьшения высоты обрушенных пород.
Выводы. По данным выполненных в результате исследований расчетов можно сделать такие выводы.
1. При заполнении водой выработанного пространства будет происходить намокание пород кровли, последующая потеря её устойчивости и возобновление процесса обрушения и деформации нависающего горного массива, что может вызвать дополнительное оседание земной поверхности.
2. Установлено, что активизация деформационных процессов в горном массиве при его намокании наиболее характерна при применении щитовой выемки и способе управления кровлей полным обрушением, когда породы, разрыхляясь, частично подбучивают образовавшуюся полость, а в полости создают условия для дальнейшего развития воронки обрушения, которая в соответствующих условиях может достичь поверхности.
3. Показатель предельного пролета основной кровли при работе лавы, в данном случае при щитовой выемке, можно использовать как один из критериев устойчивости при обнажении основной кровли, что в дальнейшем позволяет прогнозировать обрушаемость пород при их увлажнении.
1. Алексеев А.Д. Решение геоэкологических и социальных проблем при эксплуатации и закрытии угольных шахт / А.Д. Алексеев, А.В. Анциферов, Е.И. Питаленко. - Донецк: Алан, 2002. - 480 с.
2. Гавриленко Ю.Н. Техногенные последствия закрытия угольных шахт Украины / Ю.Н. Гав-риленко, В.Н. Ермаков, Ю.Ф. Кренида, О.А. Улицкий, В.А. Дрибан. - Донецк, 2004. -630 с.
3. Питаленко Е.И. Геомеханические процессы отработки крутых пластов: новые исследования и решения / Е.И. Питаленко, С.Б. Кулибаба, Ю.Н. Гавриленко, М.Г. Тиркель, Ю.А. Пивень. - Донецк, 2007. - 380 с.
4. Борисов А.А. Механика горных пород и массивов / А.А. Борисов.- М. : «Недра», 1980. -258 с.
5. Черняк И.Л. Управление состоянием массива горных пород. / И.Л. Черняк, С.А. Ярунин. М. : «Недра», 1995. - 395 с.
6. Иофис М.А. О расчете сдвижения горных пород в условиях крутого падения угольных пластов. / М.А. Иофис // Уголь Украины, 1960. - № 7. - С. 20-23.
7. Александров В.Г. Вопросы управления горным давлением на тонких крутых пластах Донбасса. / В.Г. Александров, А.В. Аксенов, Н.А. Алышев, Е.И. Питаленко и др. - Донецк, 1998. - 288 с.
8. Кузнецов Г.Н. Определение полной несущей способности кровли подземных выработок / Г.Н. Кузнецов // Сб. науч. тр. ВНИМИ - Л., 1950. - Вып. 22. - С. 26-42.
9. Басов К.А. Графический интерфейс комплекса ANSYS / К.А. Басов // М.: ДМК Пресс, 2006. - 248 с.
10. Сахно И.Г. Математическое моделирование сдвижений горного массива над одиночной лавой / И.Г. Сахно, Н.Н. Грищенков, Ф.М. Голубев // Науков1 пращ УкрНДМ1 НАН Украши. - 2013. - № 13. - C. 209-219
11. Касьян Н.Н. Моделирование структурно-неоднородных массивов горных пород с применением метода конечных элементов / Н.Н. Касьян, И.Г. Сахно, С.Г. Негрей // Науков1 пращ УкрНДМ1 НАН Украши. - 2008. - № 5. - С. 49 - 52.
12. Амусин Б.З. Метод конечных элементов при решении задач геомеханики / Б.З. Амусин, А.Б. Фадеев. // М.: Недра, 1975. - 144 с.
13. Правила подработки зданий, сооружений и природных объектов при добыче угля подземным способом / Отраслевой стандарт. - К. : Мшпаливенерго Украши, 2004. - 127 с.
14. Каплун А.Б. ANSYS в руках инженера: практическое руководство./ А.Б. Каплун, Е.М. Морозов, М.А. Олферьева. - М.: Едиториал УРСС, 2002. - 272 с.
15. Алексеев А.Д. Разрушение горных пород в объемном поле сжимающих напряжений / А.Д. Алексеев, В.Н. Ревва, Н.А. Рязанцев. - Киев: Наук. думка, 1989. - 168 с.
16. Земисев В.Н. Расчеты деформаций горного массива / В.Н. Земисев. - М.: Недра, 1973. -102 с.
17. Питаленко Е. И. Влияние увлажнения горного массива на активизацию геомеханических процессов при закрытии угольных шахт / Е.И. Питаленко, В.В. Васютина, В.Н. Ревва. // Науков1 пращ УкрНДМ1 НАН Украши. - 2011. - № 8. - С. 117-127.
18. Слесарев В.Д. Крепление подземных выработок / В.Д. Слесарев, А.А. Борисов. - М.: Гостехиздат, 1970. - 275 с.
19. Пивень Ю.А. Прогрессивные схемы вскрытия и подготовки крутых угольных пластов Донбасса / Ю.А. Пивень, Н.М. Ткаченко, А.В. Анциферов и др. - Донецк: Каштан, 2006. - 287 с.
V.V. Vasutina, Ph.M. Golubev, L.I. Nesterova
Features of deformation processes in the massif during conservation of mines.
The article describes the mechanism of deformation processes that occur in a rock mass when it gets wet using experimental and laboratory studies. It is established that the extraction of coal seams leads to deformation and collapse of rocks, and with the development of mining operations over a large area, rock deformations (displacements) can spread up to the earth's surface. Displacement causes compressive, tensile, and shear deformations in the rocks. During the development of two adjacent layers in the rock mass, zones of increased stress will be formed with superimposed zones
of deformation on each other, which may entail additional deformations and the formation of large zones of delamination and crack formation.
Keywords: displacement of the earth's surface, flooding of mine workings, liquidation of mines, FEM models.
Республиканский академический научно-исследовательский и Получено 17.05.2019
проектно-конструкторский институт горной геологии, геомеханики, геофизики и маркшейдерского дела (РАНИМИ), Донецк
ranimi@ranimi.org
