ОСОБЕННОСТИ ПАРАМЕТРОВ СДВИЖЕНИЯ МНОГОКРАТНО ПОДРАБОТАННОЙ ОЧИСТНЫМИ ВЫРАБОТКАМИ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ЛИКВИДАЦИИ УГЛЕДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ISSN 0136-4545 ^Курнал теоретической и прикладной механики.

№4 (73) / 2020.

УДК 622.831, 622.23.02

©2020. Ф.М. Голубев

ОСОБЕННОСТИ ПАРАМЕТРОВ СДВИЖЕНИЯ МНОГОКРАТНО ПОДРАБОТАННОЙ ОЧИСТНЫМИ ВЫРАБОТКАМИ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ЛИКВИДАЦИИ УГЛЕДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

В рассматриваемой статье проведен анализ влияния многократной подработки на характер сдвижения земной поверхности при затоплении горных выработок ликвидируемых угольных шахт. Определены основные закономерности изменения параметров сдвижения в зависимости от количества угольных пластов отработанных шахтой. Разработан метод прогноза деформаций земной поверхности, вызванных активизацией процесса сдвижений при затоплении горных выработок закрывающихся шахт, учитывающий литологический состав, физико-механические свойства горных пород, условия залегания пластов и горнотехнические условия отработки.

Ключевые слова: сдвижения земной поверхности, затопление горных выработок, ликвидация шахт, МКЭ модели.

Введение. Активизация геомеханических процессов может происходить не только при подработке земной поверхности, но и при ликвидации угольных предприятий в результате затопления массива. Существующие способы прогнозирования деформаций, вызванных активизацией геомеханических процессов при затоплении ликвидируемых шахт, требуют уточнения, так как они не учитывают влияние литологического состава горного массива, а это способно серьёзно сказаться на точности прогноза деформаций земной поверхности при затоплении ликвидируемых горных выработок. Кроме того, существующие методики прогноза деформаций земной поверхности, вызванных активизацией геомеханических процессов, которые описаны в источниках [1, 2], обладают целым рядом недостатков. Как показывают расчёты [3], значения деформаций, полученные по таким методикам, могут различаться в несколько раз. Кроме того, указанные методики имеют собственные ограничения.

Основной ошибкой существующей практики защиты территорий в зонах влияния ликвидируемых шахт является то, что на стадии составления проектов ликвидации шахт не предусматривается обследование объектов поверхности и инструментальные измерения высотных отметок земной поверхности до начала процесса затопления горных выработок. В результате, инструментальные измерения, полученные на момент окончания процесса сдвижения, не дают возможности объективно оценивать ни размеры деформаций, вызванных затоплением горных выработок, ни их продолжительность.

Существующие исследования [4] показали, что затопление горных выработок и вторичное изменение водонасыщенности породной толщи способно вызвать ее деформирование в результате активизации геомеханических процессов с формированием новой фильтрационной структуры и изменением гидродинамических

характеристик. Накопление частного и общего эффектов способно провоцировать переход породы в другое «качественное состояние» на различных глубинах.

В результате анализа существующих в данной области исследований [5, 6, 7] были выявлены четыре основных фактора, влияющих на характер деформаций:

- изменение глубины расположения затапливаемых горных выработок;

- степень подработки;

- высота распространения зоны водопроводящих трещин;

- угол падения.

Для определения того, каким образом каждый из указанных факторов воздействует на массив горных пород, проводилось исследование на конечно-элементных моделях.

1. Методика исследования. Практика расчетов конечно-элементных моделей горного массива показывает, что модель изотропной среды не способна в полной мере описать углепородный массив, так как физико-механические свойства горного массива в различных направлениях могут отличаться в несколько раз. Поэтому при описании горных пород предпочтительней использовать модели ортотропных сред. В модели ортотропных сред через каждую точку проходит три взаимно перпендикулярные плоскости упругой симметрии. Согласно исследованиям [8], уравнение обобщенного закона Гука для ортотропной среды можно представить в следующем виде:

%г = С231ух;

Тхх = ; (1)

тху — С12 ^!ху,

где Е1Е2 ,Ез - модули упругости для растяжения-сжатия вдоль главных направлений упругости Х,У^ соответственно; С23, С13, С12 - модули сдвига для главных плоскостей YOZ, XOZ, ХОУ; е - вектор деформаций.

Коэффициенты И, используемые в уравнении (1), имеют следующий вид:

Ях1 — 1 — ^13^3Ъ (2)

Ях2 = ^21 + ^23^31, (3)

Ях3 = ^12 + ^13^32, (4)

Ях4 = 1 — ^23^32, (5)

Ях5 = Ях1Ях4 — Яx2Яx3, (6)

Ях6 = ^31 Ях4 + v32Яx2, (7)

Яу1 = Ях 1 Ях4 — Ях5, (8)

р м г Кх2с I р Ях6г ■

&Х = —£х + т;—£у + т;—

Ях5 Ях5 Ях5

17. Яу1 17. Яу3 , 17. Яу4

= —£х + —£у + —

Яу2 Яу2 Яу2

Я

*1

Яг3

Яг4

= Е3——ех + Е3——еу + Е3 ——ех\

Ях2

Ях2

Ях2

Ку2 = Rx2Rx5, Иу3 = RxlRx2, Ку4 = Ех1^х6 — ^31 Д^ Дг1 = ^13 ^-х4^-у2 + v23Ry1Rx5,

Дг2 = ^х5^у2, Дг3 = ^13 ^х2^у2 + v23Ry3Rx5, = Rz2 + ^13^х6^у2 + ^23 ^у4^х5-

(9) (10) (11) (12)

(13)

(14)

(15)

Здесь ^ - коэффициенты Пуассона, характеризующие сокращение в одном главном направлении (2-й индекс) при растяжении в другом главном направлении (1-й индекс).

Компоненты векторов напряжений и деформаций для ортотропной среды можно связать согласно [9] при помощи матрицы D уравнением следующего вида:

М = р] • ,

(16)

где {е} - вектор деформаций.

При этом, согласно [8], матрица D будет иметь следующий вид:

Е1

Р] =

Дк4 Е 11x2 Дс5 Е ^х6 Дс5 0 0 0

Ку2 ^у5 г Еу3 Ку2 Ку2 0 0 0

Дгб Дг5 г Еъ — 0 0 0

0 0 0 ^23 0 0

0 0 0 0 ^13 0

0 0 0 0 0 ^12

(17)

где Е1Е2 ,Е33 - модули упругости для растяжения-сжатия вдоль главных направлений упругости Х,У^ соответственно; С23, С13, С12 - модули сдвига для главных плоскостей YOZ,XOZ,XOY.

Каждый пласт модели формировался как отдельный объем с свойствами, характерными для конкретной горной породы. Физико-механические характеристики основных горных пород в рассматриваемых моделях указаны в таблице 1.

Таблица 1.

Принятые в базовой модели физико-механические характеристики горных пород

Тип породы Объемный вес (Т/т3) / Е (МПа) коэффициент Пуассона

Известняк 2.45 7 46000 0.2

Песчаник 2.45 7 26000 0.18

Глинистый сланец 2.45 5 23900 0.37

Для калибровки и моделирования затопления горных пород над лавой, согласно классическим схемам деформаций горного массива, в конечно-элементной модели было выделено три зоны:

- зона беспорядочных обрушений;

- зона упорядоченного обрушения;

- зона прогибов с разрывом сплошности.

Так как за счет влияния масштабного эффекта, наблюдаемого в массиве, точно определить характеристики горных пород в лабораторных условиях практически невозможно, каждая модель проходила калибровку, которая включала в себя изменение в допустимых пределах физико-механических свойств горных пород таким образом, чтобы оседания, рассчитанные в МКЭ модели подработки земной поверхности, совпадали с оседаниями, полученными в результате натурных измерений и рассчитанными по существующему отраслевому стандарту, в чем и заключается уникальность используемого исследовательского подхода.

Калибровка модели производилась в пределах всего купола сдвижений. Результаты калибровки подробно описаны в статье [10]. Изменение физико-механических свойств горных пород в модели при влагонасыщении производилось на основании исследований [4]. Стоит отметить, что в модели имитировалось физико-механические свойства песчаников, имеющих глинисто-слюдистый цемент, так как они наиболее интенсивно теряют свои прочностные качества при их увлажнении. Модель разбивалась тетраэдрами с размером ребра 20 м (рис. 1).

Рис. 1. Схема разбивки модели конечными элементами

2. Анализ модели подработки. На основании описанного подхода была создана модель подработки, со следующими условиями выемки пластов:

- глубина отработки лав 800 м;

- длина лавы на пласте 200 м;

- суммарная длина ранее отработанных лав рассматриваемого горизонта 2200 метров;

- угол залегания пласта — 0 градусов;

Размеры модели - ширина 4000 метров, глубина 1100.

Моделировался ряд случаев затопления угольного массива:

- пошаговое затопление горного массива на 50 метров над лавой с различным количеством лав, по пласту глубиной 700 метров, затопления горного массива на 300 метров над лавой с глубины -700, до глубины -400 метров (вариант объединения системы водопроводящих трещин) при условии полной подработки поверхности как по падению, так и по простиранию;

- затопление горного массива при расположении лав не непосредственно друг над другом, а при частичном пересечении плоскостей лав на разных пластах.

В результате проведенных расчетов, моделирующих затопление одного пласта, было установлено, что характер оседаний, вызванных затоплением горного массива, соответствует характеру оседаний при подработке, однако его величина существенно меньше (рис. 2). Наибольшие деформации регистрировались

0 200 (К» еоо 1</х> 1200 1100 1КО 18« 2000 2200 ¿000 г™ 2309 3000 3100

1 /1333 0 0 0 ■о 03,2 ■зм ■17 3,9 0 0 0 0 О 0 0 0 0

2 ллоы 0 о * -16,6 -40,6 -44,1 -181 1,7 0 0 О О о О о о

3 лавы 0 0 -2,9 1,6 -14,2 -65,1 -50,1 ■Ш 5,3 -1,6 0 о 0 0 о 0

4 лавы с 0 1,6 -16,1 -47.7 -67,3 66,3 50,3 19,5 3,6 I с 0 0 0 0

0 о -2,9 1,6 -16.2 17.7 -63,2 -69,2 -66,7 -51,4 -17.9 -4,2 о о о о о

fifl.ll! 0 0 ■2,3 1,6 -16,1 17,7 ■ш ■67,7 ■45,9 .16,3 .4,4 0 0 0 0

Ёлав 0 о 2,3 1,6 -16,1 -47,7 -63,1 -691 -675.4 69.6 -63,9 -66.7 -50.5 -13.5 1,3 о 0

Рис. 2. Результаты моделирования деформаций земной поверхности

при повышении уровня воды до 300 метров над лавой при полной подработке поверхности, регистрировались сдвижения земной поверхности до 40 процентов от начальных, вызванных подработкой.

При этом, увеличение зоны распространения водопроводящих трещин приводит к нелинейному приросту оседаний и вызывает незначительное увеличение

зоны влияния сдвижений горного массива, вызванных активизацией геомеханических процессов на объекты поверхности.

Моделирование затопления горного массива при расположении лав не непосредственно друг над другом, а при частичном пересечении плоскостей лав на разных пластах показало, что максимальные оседания смещаются относительно оседаний, характерных для подработки, в сторону максимальных объемов извлеченной горной массы (рис. 3).

Рис. 3. Результаты моделирования деформаций земной поверхности при многократной подработке земной поверхности несколькими пластами

При затоплении нижележащих пластов, наблюдается незначительная активизация геомеханических процессов в вышележащих отработанных пластах, что указывает на необходимость учета всех горных выработок, расположенных в

пределах мульд сдвижения затапливаемых лав.

Разработанный метод прогноза деформаций земной поверхности, вызванных активизацией процесса сдвижений при затоплении горных выработок закрывающихся шахт, основанный на использовании конечно-элементной модели горного массива, учитывает его литологический состав, физико-механические свойства горных пород, условия залегания пластов и горнотехнические условия отработки и отличается наличием механизма калибровки параметров модели по результатам шахтных исследований позволяет прогнозировать деформации земной поверхности как при первичной, так и при многократной подработке.

Заключение. По результатам данного исследования можно сделать следующие выводы: при прогнозе сдвижений земной поверхности в результате затопления горных выработок, отрабатываемых по нескольким пластам, необходимо учитывать все отработанные горизонты, независимо от того, подвергаются они затоплению или нет. Максимальные оседания при затоплении горных выработок, многократно подработавших земную поверхность, смещаются относительно максимальных оседаний при подработке, что подчеркивает важность учета всего комплекса горных выработок на рассматриваемом участке. В случаях же когда шахтой отрабатывался один пласт, характер деформаций земной поверхности при ее затоплении будет аналогичен характеру деформаций при подработке.

1. Ликвидация угольных шахт. Защита земной поверхности от затопления горных выработок. Рекомендации: КД 12.12.004-98: Утв. Министерством угольной промышленности Украины 20.12.98. - Донецк, 1998. - 46 с.

2. Гавриленко Ю.Н. Техногенные последствия закрытия угольных шахт Украины: моногр. / Ю.Н. Гавриленко, В.Н. Ермаков, Ю.Ф. Кренида, О.А. Улицкий, В.А. Дрибан. - Донецк: Норд-Пресс, 2004. - 631 с.

3. Грищенков Н.Н. Анализ методик расчета активизации сдвижений земной поверхности при затоплении массива горных пород на ликвидируемых угольных шахтах / Н.Н. Грищенков, Ф.М. Голубев // Инновационные перспективы Донбасса: материалы 3-й Международной научно-практической конференции (Донецк, 24-25 мая 2017 г.) - Донецк: ДонНТУ, 2017. - С. 99-108.

4. Питаленко Е.И. Влияние увлажнения горного массива на активизацию геомеханических процессов при закрытии угольных шахт / Е.И. Питаленко, В.В. Васютина, В.Н. Ревва // Научные труды УкрНИМИ НАН Украины. - 2011. - № 8. - С. 117-128.

5. Ильюхин Д.А. Прогноз развития зоны водопроводящих трещин при разработке Яковлев-ского месторождения богатых железных руд: диссертация ... кандидата технических наук / Д.А. Ильюхин.- Нац. минерально-сырьевой ун-т "Горный СПб, 2014. - 125 с.

6. Решение геоэкологических и социальных проблем при эксплуатации и закрытии угольных шахт / В.Ф. Янукович, Н.Я. Азаров, А.Д. Алексеев и др. - Донецк: ООО «Алан», 2002. -480 с.

7. Феофанов А.Н. Переоценка влияния факторов на процесс активизации провалообразова-ний / А.Н. Феофанов // Наук. пр. УкрНДМ1 НАН Украши. - 2009. - № 5. - С. 18-32.

8. Корнев Е. С. Разработка комплекса программ и численное моделирование геомеханических процессов в углепородном массиве: автореферат диссертации ... кандидата технических наук / Е.С. Корнев. - ФГБОУ ВПО «Сибирский гос. инду- стриальный ун-т», Новокузнецк, 2013. - 19 с.

9. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике / А.Б. Фадеев. - М.: Недра, 1987. -221 с.

10. Грищенков Н.Н. Конечно-элементное моделирование как новый способ прогноза геомеханических процессов при подработке земной поверхности / Н.Н. Грищенков, Ф.М. Голубев, С.С. Стельмах // Инновационные перспективы Донбасса: сб. науч. тр. - Донецк, 2016. -№ 7. - С. 62-66.

Ph.M. Golubev

Features of the parameters of the displacement of the earth's surface, repeatedly undermined by mine workings, during the liquidation of coal mines.

This article describes the mechanism of deformation processes occurring in a rock mass when it gets wet using experimental and laboratory research. The drawbacks of the existing method are identified and solutions for their elimination are proposed.An innovative approach to modeling geomechanical processes associated with the liquidation of coal mining enterprises is described. Based on the models, the dependencies of the subsidences on the level of mine water above the longwall and the depth of flooded mine workings are constructed. The general formula for calculating the subsidence of the earth's surface is given. In this article under consideration analyzes the influence of repeated undermined by mine workings on the nature of the earth's surface displacement during flooding of mine workings of liquidated coal mines. The main regularities of changes in the parameters of displacement are determined depending on the number of coal seams worked out by the mine. A method has been developed for predicting deformations of the earth's surface caused by the activation of the displacement process during flooding of mine workings of closed mines, taking into account the lithological composition, physical and mechanical properties of rocks, bedding conditions and mining technical conditions.

Keywords: ground movement, flooding mine workings with water, mine abandonment, FEM models.

Республиканский академический научно-исследовательский и Получено 25.12.2020

проектно-конструкторский институт горной геологии, геомеханики, геофизики и маркшейдерского дела (РАНИМИ), Донецк

ranimi@ranimi.org