CC BY
14
ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень / GIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2019;3:97-112
УДК 622.275 DOI: 10.25018/0236-1493-2019-03-0-97-112
Прогноз устойчивости гидроотвАлов на подрабатываемых подземными горными работами территориях
А.Г. Протосеня1, Ю.Ю. Кутепов1
1 Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия, e-mail: KutepovYY@ya.ru
Аннотация: Рассмотрены основные положения по подработке гидроотвалов на угольных месторождениях. Выполнен анализ факторов, влияющих на устойчивость подрабатываемых подземными горными работами откосов гидроотвалов (изменение геометрических параметров сооружения, снижение прочностных свойств пород естественного основания, изменение гидрогеологического режима, формирование избыточного порового давления в теле гидроотвала и его основании). Разработана методика оценки устойчивости откосов гидроотвала при их подработке с учетом влияния выделенных факторов. Проведены расчеты устойчивости откоса гидроотвала на р. Еловка при различном направлении движения очистного забоя относительно откоса: на относ, из-под откоса и вдоль откоса. Получены закономерности изменения коэффициента запаса устойчивости в процессе его подработки с учетом всех выделенных факторов влияния, а также каждого из факторов в отдельности. Выполнен анализ полученных результатов и определены самые неблагоприятные условия подработки гидроотвалов. Установлено, что наихудшие условия подработки откоса при любом направлении движения очистного забоя достигаются при непосредственной подработке призмы упора сооружения. Подработка призмы активного давления, напротив, приводит к положительному результату. Разработанная методика позволяет произвести количественную оценку влияния подземных горных работ на условия устойчивости гидроотвала и дает возможность обосновать рекомендации по безопасной эксплуатации гидроотвала и ведению подземных горных работ под ним. Ключевые слова: гидроотвал, дамбы, сдвижение, подработка, устойчивость, разработка угольных месторождений, гидрогеомеханические процессы.
Для цитирования: Протосеня А. Г., Кутепов Ю. Ю. Прогноз устойчивости гидроотвалов на подрабатываемых подземными горными работами территориях // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2019. - № 3. - С. 97-112. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-03-0-97-112.
Stability estimation of hydraulic fills in undermined areas
A.G. Protosenya1, Yu.Yu. Kutepov1
1 Saint Petersburg Mining University, Saint-Petersburg, Russia, e-mail: KutepovYY@ya.ru
Abstract: The article reviews the general principles of hydraulic fill undermining in coal fields and describes the engineering geological conditions of hydraulic filling. The main factors affecting stability of undermined slopes of hydraulic fills are the change of the geometric parameters of the structure, reduction in strength characteristics of soil foundation rocks, alteration of hydrogeological regime, as well as the formation of excessive pore pressure in the body and bed of hydraulic fill. The slope
© A.r. npoToeeHfl, W.W. KyTenoB. 2019.
stability estimation procedure is developed for undermined hydraulic fills with regard to the listed factors. As a part of the study, the slope stability calculations are carried out for hydraulic fill at the Elovka River in case of different direction advance of underground stoping face: toward the slope, from under the slope and along the slope. From the calculation results, the variation in the safety factor of the hydraulic fill during its undermining is determined as function of all listed influences and each factor individually. The analysis of the obtained results is carried out and the most unfavorable conditions of hydraulic fill undermining are determined. It is found that the worst conditions of slope undermining in any case of the stoping front advance take place when the retaining prism is undermined. Vice versa, undermining of the active earth pressure block yields positive results. The developed procedure enables quantitative assessment of impact exerted by underground mining on hydraulic fill slope stability and validation of recommendations on safe operation and undermining of hydraulic fills. — Отсутствовало в авторском переводе. Key words: hydraulic fill, dams, displacement, undermining, stability, coal field development, hy-drogeomechanical processes.
For citation: Protosenya A. G., Kutepov Yu. Yu. Stability estimation of hydraulic fills in undermined areas. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2019;3:97-112. [In Russ]. DOI: 10.25018/02361493-2019-03-0-97-112.
Введение
Современный этап развития угольной отрасли в Кузбассе, входящем в список крупнейших мировых угольных бассейнов, предполагает интенсификацию разработки существующих месторождений за счет вовлечения в эксплуатацию участков на сопряжениях открытых и подземных горных работ. Это приводит к появлению конфликтных ситуаций, сопровождающихся развитием геомеханических процессов, ухудшением безопасности горных работ и снижением технико-экономическую эффективности горного производства. Одной из важнейших научно-технических проблем при открыто-подземном способе разработки угольных месторождений является извлечение запасов угля подземным способом из-под гидроотвалов — гидротехнических объектов складирования гидровскрышных пород.
Гидромеханизация в регионе на открытых горных работах начала использоваться с 1951 г. для удаления покровных неоген-четвертичных отложений, сплошным чехлом залегающих на углевмеща-ющих породах. За все время ее применения было смыто более 1 млрд м3 с размещением в более чем 60-ти гидро-
отвалах, характеризующихся различной площадью от 50 до 750 га, высотой от 5 до 78 м и емкостью до 200 млн м3. Под некоторыми гидротехническими объектами оказались законсервированы запасы угля. В частности, под гидроотвалом на реке Еловка с площадью около 750 га и высотой до 60 м залегают пласты угля, которые отрабатываются шахтами «Бай-каимская» и «Алексиевская», а также планируются к разработке Иганинским участком открытых горных работ [12]. Кроме того, добыча угля под гидроотвалами ранее производилась под шахтами «Лапичевская», «Киселевская», «Бирюлин-ская» и др. В настоящее время на шахте им. А.Б. Рубана АО «СУЕК-Кузбасс» [11] и ООО «Ресурс» планируются подземные горные работы на участках, имеющих на поверхности гидроотвалы разрезов «Моховский» и «Талдинский» АО «УК»Куз-бассразрезуголь». Таким образом, геомеханическое обоснование подземной отработки угольных пластов под гидроотвалами является актуальной научно-технической задачей, имеющей важное практическое значение. Кроме того, актуальность данной работы подтверждается тем обстоятельством, что гидроотвалы как гидротехнические сооружения
являются опасными производственными объектами, подпадающими под действие ФЗ № 117 [21]. Подработка гидроотвалов может негативным образом сказаться на устойчивости подпорных элементов конструкций — дамб и плотин, приведя к развитию гидродинамических аварий со значительными экономическими и экологическими издержками, а иногда и человеческими жертвами.
На подрабатываемых подземными выработками территориях проектирование, строительство и эксплуатация гидротехнических сооружений регламентируются несколькими нормативно-методическими документами [22, 23]. Допустимые деформации при подработке земляных плотин, установленные «Правилами охраны...», составляют 6 мм/м [22].
Обзор литературы
Изучению вопросов обоснования устойчивости гидроотвалов посвящены работы известных отечественных ученых (Г.А. Нурока, А.Г. Луговинова, А.Д. Шер-стюкова; А.М. Гальперина; Ю.И. Кутепо-ва, Н.А. Кутеповой, и пр.) [10, 13, 14, 17]. В них рассмотрены инженерно-геологические, гидрогеомеханические и технологические аспекты решения проблемы формирования гидроотвалов вскрышных пород при разработке угольных и горнорудных месторождений.
Важнейшим вопросом при обосновании геомеханических условий подработки гидротехнических сооружений подземными горными работами является прогнозирование возникающего геомеханического процесса — сдвижения горных пород. В практике разработки месторождений полезных ископаемых накоплен огромный опыт наблюдений за процессами сдвижения земной поверхности, анализ которого позволил разработать множество различных методов прогноза — эмпирических, полуэмпирических и теоретических. Кроме того, в от-
дельную категорию можно выделить набирающие все большую популярность методы численного моделирования.
В отечественной практике изучением вопросов сдвижения в основном занимались специалисты в области маркшейдерского дела. Это объясняет широкое распространение эмпирических методов прогноза оседаний земной поверхности, разработку которых осуществляли С.Г. Авершин, И.М. Бахурин, Г.Л. Фисенко, В.И. Борщ-Компонийц, И.А. Турчанинов, М.А. Иофис, А.Н. Медянцев, И.А. Петухов и др. [6, 9, 19]. Методы оценки смещений земной поверхности при ее подработке также разрабатывались усилиями геомехаников института ВНИМИ (В.Н. Зе-мисевым, А.Г. Акимовым, Р.А. Муллером, А.С. Ягуновым и др.) [7, 8], результаты их многолетнего труда обобщены в нормативно-методическом документе «Правила охраны сооружений...» [22].
В последние десятилетия прошлого века, в связи с развитием вычислительной техники, на первый план при решении различных геомеханических задач вышли методы численного моделирования. Метод конечных элементов (МКЭ), например, успешно используется для оценки устойчивости бортов разрезов, откосов отвалов и гидроотвалов, для расчета напряжений в крепях горных выработок, а также в окружающем их массиве горных пород, для изучения различных гидрогеомеханических процессов в трехфазных средах, и многого другого. В последнее время численные методы также широко применяются и для прогноза сдвижения горных пород при разработке угольных и рудных месторождений [1-3, 5, 16, 20].
Инженерно-геологические
условия формирования
гидроотвалов
Гидроотвалы Кузбасса являются специфическими отвальными сооружения-
ми, сформированными гидравлическим способом из пород вскрыши глинистого состава неоген-четвертичного возраста. Условия их формирования предполагают на первом этапе отсыпку дамб обвалования или плотин из прочных обломочных пород, а на втором — намыв пульпы — смеси воды и минеральных породных частиц — в сформированную емкость. Технология гидроотвалообра-зования использует одноярусное или многоярусное развитие сооружения. Поскольку исходным материалом для гидроотвалов в Кузбассе служат в основном глинистые породы, то при их интенсивном намыве в массивах происходит фракционирование частиц по мере движения пульпы по пляжу и образование избыточного порового давления, рассеивание которого происходит достаточно длительное время. Таким образом, на земной поверхности формируется неоднородный в плане и разрезетехноген-ный массив достаточно больших геометрических размеров. Их изучение [10, 13—15, 17] позволило в плане выделить зоны песчано-супесчаных, суглинистых и глинистых пород, а в разрезе (сверху в низ) — подзоны текучих, мягкои тугопла-стичных отложений. Наличие в верхней части гидроотвала текучих и пластичных пород с низкими значениями прочности является большой геомеханической проблемой, так как возникающие при сдвижении массива деформации могут спровоцировать нарушение устойчивости откосов и движение водонасыщен-ных масс за пределы сооружения.
Факторы, влияющие на устойчивость гидроотвалов на подрабатываемых территориях
Изменение геометрических параметров гидроотвалов при их подработке
Наиболее значительным фактором, определяющим устойчивость гидроотва-
лов на подрабатываемых территориях, является изменения в пространстве геометрических параметров сооружений. Известно, что на земной поверхности и в подрабатываемом породном массиве наблюдаются сдвижения и деформации, величины которых зависят от вынимаемой мощности пласта, глубины горных работ, угла падения пласта и площади отработки.
Конструктивные элементы гидротехнического сооружения, попадая в зоны подработки, также испытывает деформации сдвижения, при этом изменяются их геометрические параметры, а также положение в пространстве границ техногенных массивов и выделенных инженерно-геологических элементов. В частности, при частичном попадании дамб и плотин гидроотвалов в формирующуюся мульду сдвижения следует ожидать возрастание результирующего угла откоса или наклона «слабого» основания, что естественно должно сказаться на устойчивости сооружения. В связи с чем обоснованию геомеханической схемы оценки устойчивости гидроотвала предшествует прогноз сдвижения поверхности и техногенного массива с использованием различных методов, рассмотренных выше. Однако в настоящий время остается практически неизученным вопрос о характере деформирования техногенных массивов гидроотвалов, попадающих в мульду сдвижения.
Априори считается, что деформации поверхности сооружения и его основания синхронно согласованны по глубине, т.е. не будут изменяться в пределах техногенного массива. В действительности процесс деформирования грунтового сооружения является более сложным по напряженно-деформированному состоянию и протекает, по всей видимости, неравномерно. Более точно спрогнозировать деформации в сооружении можно с использованием численного
моделирования НДС природно-техниче-ской системы «очистная выработка — породный массив — гидроотвал». В рамках настоящего исследования зададимся более простой схемой деформирования, считая, что деформации откоса и основания согласованны.
Изменение гидродинамического
режима подрабатываемого массива
Гидроотвал в силу специфических условий формирования представляет собой комбинацию водонасыщенных техногенных и естественных массивов, взаимодействующих между собой в рамках единой гидрогеологической природно-тех-нической системы, в которой сформировался техногенный водоносный комплекс с безнапорно-напорным режимом фильтрации. Поэтому оценку устойчивости его откосов следует осуществлять с учетом сил гидростатического взвешивания и гидродинамического давления. В наиболее простых условиях в дамбах гидроотвалов функционирует безнапорный водоносный горизонт, характеризующийся пьезометрической поверхностью. Прогноз ее положения в откосе следует осуществлять с использованием аналитических методов или математического моделирования. Кроме того, пьезометрическую поверхность достаточно просто определить в пространстве на основании измеренных в пьезометрах уровнях воды или порового давления в установленных в откос тензометрических датчиков. В случае отсутствия натурных измерений на гидротехническом объекте пьезометрическую поверхность в откосе строят на основании геофильтрационных расчетов с учетом известных отметок уровня воды в прудеотстойнике и ее выхода на откосе.
Подработка гидроотвалов приводит не только к изменению геометрии подработанных массивов, но и сказывается на их гидродинамическом режиме, который
является результатом изменившихся граничных условий и напряженно-деформированного состояния пород. Уровненный режим подземных вод подработанной толщи на периферии определяется границей (границами) с постоянным уровнем (напором), например, рекой, озером или прудом с неограниченным питанием. При подработке гидроотвала происходит оседание его поверхности с сохранением абсолютных отметок уровня воды в массиве, т.е. степень обводнения массива будет при этом увеличиваться, также будут возрастать силы гидростатического взвешивания, уменьшаться прочность пород и снижаться коэффициент запаса устойчивости подработанного откоса.
Формирование избыточного
порового давления в намывном
массиве
На окраинах мульды сдвижения за границей зоны оседаний породный массив и расположенный на нем гидроотвал сжимаются, попадая в зону опорного давления. В данной зоне в водонасыщенных породах следует ожидать появления сжимающих напряжений, сопровождающихся формированием избыточного порового давления, которое, в свою очередь, снижает эффективные напряжения в скелете породы, уменьшая ее прочность. Величина, скорость образования и рассеивания порового давления в водонасыщенных породах зависят от дополнительных напряжений в зоне опорного сжатия, их пористости, проницаемости и консистенции. Кроме того, величина порового давления определяется глубиной, при этом, чем глубже расположен слой на краю мульды сдвижения, тем больше в нем опорное сжатие и, соответственно, начальное избыточное поровое давление.
В породах откосных частей гидроотвалов скорость рассеивания порового давления определяется компрессионно-
фильтрационными свойствами. Обычно откосная часть сооружения сложена относительно проницаемыми породами, поэтому в ней следует ожидать достаточно быстрое рассеивание образовавшегося избыточного порового давления воды. Весьма важным моментом при этом является последовательность формирования мульды относительно гидроотвала. В случаях, когда мульда и волна опорного давления приближается к гидроотвалу из периферии, то избыточное поровое давление накапливается в откосе до величин, провоцирующих нарушение его устойчивости.
Прогнозирование избыточного порового давления в подрабатываемых намывных массивах является весьма сложной гидрогеомеханической задачей, требующей использования решений двухи трехмерной задач теории фильтрационной консолидации. Количественный прогноз формирования избыточного порового давления в гидроотвале при подработке возможен при использовании численного моделирования напряженно-деформированного состояния МКЭ или гидродинамического режима методом конечных разностей (МКР) в природно-технической системе «очистная выработка — породный массив — гидроотвал».
Изменение физико-механических
свойств пород подрабатываемых
массивов
Сдвижение горных пород представляет собой сложный деформационный процесс, при котором в пределах формирующейся мульды сдвижения образуются зоны с различными по направлениям деформациями сжатия и растяжения. В структурированных породах (к которым, в частности, относятся естественные неоген-четвертичные отложения Кузбасса), попавших в зоны разнонаправленных деформаций, будут наблюдаться разрушение жестких структурных связей и из-
менение физико-механических свойств. Исследованию данного процесса посвящены единичные работы по некоторым угольным бассейнам СССР [18]. В работе [17] сформулирована следующим образом общая тенденция в изменении свойств пород при подработке: разуплотнение-нарушение структуры, увеличение влажности, снижение прочности. Установленная тенденция характерна как для зоны сжатия, так и для зоны растяжения земной коры в пределах мульды сдвижения. Количественная оценка изменения параметров сопротивления сдвигу дисперсных песчано-глинистых грунтов получена путем сопоставления результатов лабораторных испытаний пород, отобранных из массива до и после его подработки.
Рассмотренные выше тенденции изменения прочности пород подработанного массива недостаточно хорошо изучены в инженерной геологии, требуют выполнения большого комплекса сложнейших исследований и не позволяют на данном этапе рекомендовать определенные закономерности. Для практики учета изменения прочности пород при подработке в настоящее время можно использовать подход, учитывающий нарушение структуры в результате деформирования земной коры в пределах мульды сдвижения.
Наибольшим изменениям подвержены породы с сильно развитыми жесткими структурными связями. К ним относятся так называемые жесткие глины (коренные и покровные отложения в состоянии твердой и полутвердой консистенции) и некоторые специфические грунты: лессы, лессовидные суглинки, карбонатные, засоленные глины и др. В жестких глинах напряжения, возникающие при относительно небольших смещениях земной поверхности, вызывают разрушение лишь наиболее слабых структурных связей, развитие локальных микротрещин, что
ведет к разрыхлению пород и частичному падению их сцепления. При больших величинах горизонтальных деформаций жесткие связи могут быть полностью необратимо разрушены с соответствующей полной потерей структурного сцепления, которое в этих породах достаточно высоко. Сопротивление сдвигу при этом падает, но остается довольно значительным, так как роль трения в твердых глинах велика [18].
Оценка устойчивости гидроотвала
при его подработке
Одной из основных научно-технических задач, возникающих при подработке гидроотвалов, является обеспечение безопасности их функционирования, которая оценивается геомеханическими расчетами устойчивости подпорных элементов сооружений — дамб и плотин. Общеизвестно, что расчет устойчивости природных склонов или техногенных откосных сооружений предполагает оценку статического равновесия системы только для определенного момента времени. Поскольку подработка гидротехнического объекта, имеющего значительные размеры в плане, является растянутым во времени динамическим процессом, то решение задачи безопасности гидроотвала предполагает выполнение серии оценок его устойчивости на различных этапах формирования мульды сдвижений в зависимости от положения очистного забоя лавы относительно откоса сооружения и направления его движения.
Исходными данными для выполнения расчетов являются:
• геометрические характеристики подрабатываемого массива с выделенными инженерно-геологические элементами;
• гидрогеологические условия;
• физико-механические свойства слагающих его пород;
• ориентация очистной выработки относительно гидроотвала;
• параметры процесса сдвижения (мульды сдвижения).
В рамках исследования рассмотрим пример подработки гидроотвала на реке Еловка шахтой «Байкаимская», осуществляемой лавой № 14 по пласту Полыса-евский II в течение годового периода вблизи основной плотины гидроотвала. Средняя вынимаемая мощность пласта при этом составила 4,9 м, размеры лавы в крест простирания 220 м, а по простиранию — 910 м, глубина отработки изменялась от 220 до 310 м. На заключительном этапе отработки пласта в зону влияния лавы попал водоотводной канал и дамба первичного обвалования гидроотвала. По результатам маркшейдерских наблюдений установлены величины оседания на откосе гидроотвала менее 0,2 м, а в районе водоотводного канала около 1 м. При этом величина максимального оседания составила 2,39 м при длине полумульды по простиранию 337 м.
Полученные в результате выполненных наблюдений параметры сдвижения использовались для прогноза измененной геометрии откоса гидроотвала на основании типового распределения деформаций в мульде в соответствии с нормативным отраслевым документом [22]. Прогнозные исследования предполагали рассмотрение условий подработки основной плотины гидроотвала для трех гипотетических вариантов, рассматривающих различные направления отработки лавы относительно откоса: из-под откоса; на откос (фактический случай); вдоль откоса.
Для каждого из рассмотренных случаев задавалось положение очистного забоя примерно через шаг в 50—100 м, определялись параметры мульды сдвижения (вертикальные и горизонтальные смещения) в пространственной привязке к откосу сооружения. Затем каждая характерная точка профиля гидроотвала
Ls =337 м
Рис. 1. Расчетная схема по профилю гидроотвала № 8:1 — насыпное тело дамбы; ные породы; УВ — уровень воды в гидроотвале.
Fig. 1. Design scheme for the section No 8 of the main dam: I — bulk body of the dam; II the Hydraulic Waste Disposal
II —намывные породы; III — естественное основание; IV— корен-— filled-up ground; III — natural base; IV — bedrock; УВ — water level in
перемещается по вектору смещения, соответствующему своему положению в мульде сдвижения. Таким образом получалась геометрия деформированного откоса на соответствующем этапе подработки.
Уровень воды (УВ) в теле гидроотвала при выполнении расчетов принимался, соответствующим времени непосредственной реализации деформаций и моменту стабилизации исходного положения УВ за счет фильтрационных процессов.
На рис. 1 приведена расчетная схема с нанесением на нее инженерно-геологических элементов, УГВ, условий отработки пласта и углов сдвижения. Физико-механические свойства пород приведены в таблице. Данная схема соответствует ситуации подработки гидроотвала в направлении на откос. В остальных случаях рассматривается такой же профиль, меняется лишь направление. В случае направлении лавы вдоль откоса, плоское дно не образуется, поэтому рассматривается вся мульда сдвижения в крест простирания (470 м).
Координата представляет собой расстояние от забоя очистной выработки до нижней бровки откоса и имеет отрицательные значения при приближении лавы к откосу и положительные после ее
прохождения. При подработке вдоль откоса используется координата «L», равная расстоянию от центра очистной выработки до нижней бровки откоса.
Прочностные свойства при подработке изменяются в естественном основании, причем только в ИГЭ III6, так как ИГЭ Ша уже является нарушенным. При подработке ИГЭ III6 приобретает такие же свойства, как и ИГЭ Ша.
Результаты расчетов устойчивости подработанных откосов гидроотвала
Расчеты устойчивости выполнялись в программе Slide (Rocscience), использующей методы предельного равновесия. В качестве расчетного использовался метод Спенсера [4]. С целью сравнения полученных результатов, проверочные расчеты выполнялись в программе Pha-se2 (Rocscience), использующей метод конечных элементов. Для каждого положения очистного забоя выполнялось построение отдельной модели и осуществлялось вычисление коэффициента запаса устойчивости (КЗУ). По результатам расчетов получены закономерности изменения КЗУ при продвижении очистного забоя. Полученные закономерности приведены в графическом виде как зависимость КЗУ от Z (рис. 2—4).
Расчетные параметры физико-механических свойств пород гидроотвала
Design parameters of physical and mechanical properties of rocks and soils
№ ИГЭ* Описание пород Плотность р, т/м3 Сцепление С, кПа Угол внутреннего трения ф,°
I Насыпное тело дамб — обломочный материал (песчаники, алевролиты) с суглинистым заполнителем 1,95 15 26
II а II б Намывные породы — суглинки бурые водонасыщенные с прослоями песков, супесей, от текуче- до мягкопластичных 1,90 1,95 15 30 со ю ■Н тЧ
111а Шб Естественное основание дамб — суглинки пылеватые, серо-голубые, мягко- и тугопластичные 1,95 2,00 20 40 13 19
* ИГЭ — инженерный геологический элемент.
1.36
1.34
s
u о s 1.32
s ■s О 1.3
H
« 1.28
« ce
1 1.26
H
s V 1.24
1.22
-e-
1 1.2
1,18
« 1
_»2 3
4
-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Расстояние от очнстного забоя до нижней бровки откоса (Z), м
450
500
1
-Изменения геометрии; 4 —»—Сочетаниевсех факторов влияния;
2 —»—Изменение геометрии и стабилизация УВ; -Нормативное значение КЗУ= 1.25 (для ГТС I класса).
3 —»-Изменение геометрии и снижение
прочностных свойств основания:
Рис. 2. График изменения КЗУ в зависимости от расстояния между очистным забоем и нижней бровкой откоса. Отрицательные значения по оси Z соответствуют приближению очистного забоя к дамбе гидроотвала, положительные — удалению от нее
Fig. 2. The graph of the change in FoS depending on the distance between the longwall face and slope foot. Negative values along the Z axis correspond to the imminence of the stope to the dam of the hydraulic mine dump, positive values — to the distance from it
Для изучения влияния каждого из выделенных факторов выполнялись серии расчетов на каждом этапе подработки для различных сочетаний этих факторов:
• с учетом изменения только геометрических параметров откоса, при этом УВ снижается в соответствии с деформациями в откосе;
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 Расстояние от очистного забоя до нижней бровки откоса (Z), м -Изменения геометрии; 4 —»—Сочетаниевсех факторов влияния;
-Изменение геометрии и стабилизация УВ; -Нормативное значение КЗУ 1.25 (для ГТС I класса).
Изменение геометрии и снижение прочностных свойств основания;
Рис. 3. График изменения КЗУ в зависимости от расстояния между очистным забоем и нижней бровкой откоса. Направление движения лавы — из-под откоса
Fig. 3. The graph of the change in FoS depending on the distance between the longwall face and slope foot. The direction of longwall face advancing — from under the slope
1=45 1=43 1=41 1,39 1=37 1=35 1.33
СЯ
S Ui
t 1-29
S 1=27
I 1=25
J. 1=23
f" 1=21
¡3 1=19
>> я
---ч
\
^--
/ ~--
/ ' у Г __^
/ /
///
/ ///
У ^ 4 /
J 1/А
Гз/Х
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 Расстояние от центра выработки до нижней бровки откоса (L), м 1 —•—Изменения геометрии: 4 —•—Сочетание всех факторов влияния;
2—•—Изменение геометрии и стабилизация УВ;---КЗУ= 1,333 до подработки откоса;
3 « Изменение геометриии снижение -Нормативное значение КЗУ= 1,25 (для ГТС I класса).
прочностных свойств основания;
Рис. 4. График зависимости КЗУ от расстояния между центром очистной выработки и нижней бровкой откоса при расположении лавы перпендикулярно откосу
Fig. 4. The graph of the change in FoS depending on the distance between the longwall face and slope foot at the location of longwall perpendicular to the slope
• с учетом изменения геометрических параметров откоса, а также стабилизации исходного УВ в откосе;
• с учетом изменения геометрических параметров откоса, а также снижении прочностных свойств пород основания. УВ как в первом случае;
• с учетом всех перечисленных факторов.
Обсуждение результатов
Анализ выполненных расчетных графиков (см. рис. 2—4) позволяет отметить следующие моменты. В случае подработки гидроотвала в направлении «на откос» на начальных этапах подработки наблюдается тенденция снижения коэффициента запаса устойчивости (КЗУ), а затем происходит его возрастание до своего определенного значения. При этом, практически на всех этапах подработки устойчивость откоса сооружения обеспечивается с коэффициентом запаса выше единицы, соответствующему предельному равновесию, но ниже нормативного значения 1,25 для сооружений 1 класса. Это означает, что эксплуата-
ция гидроотвала в таких условиях может не соответствовать установленным требованиям промышленной безопасности и предопределяет проведения специальных мероприятий по улучшению состояния устойчивости, таких, например, как отсыпка пригруза в нижней части откоса или снижение УВ до начала подработки. В некоторых случаях КЗУ немного ниже нормативного значения, но выше значения критерия безопасности по условиям устойчивости первого уровня. При этом подработку и эксплуатацию гидроотвала можно вести при обязательном выполнении мониторинга безопасности. Наихудшее состояние устойчивости гидроотвала достигается при расположении очистного забоя на расстоянии 165 м от нижней бровки после ее прохождения. В этом положении водоотводной канал попадает в плоское дно мульды, а нижняя часть дамбы садится на 2,1 м. В средней части дамбы локализуются максимальные горизонтальные сдвижения. При этом верхняя часть откоса попадает в самый край мульды сдвижения, где деформации не столь значительны.
Отмечено, что на условия устойчивости в процессе подработки в большей степени сказывается изменение геометрии откоса, это подтверждается тем, что все графики имеют общую тенденцию. Снижение КЗУ до минимального значения обуславливается тем, что происходит осадка нижней части дамбы в то время как верхняя часть еще не подвержена деформациям. Объясняется это тем, что при оседании дамбы уменьшается высота призмы упора, а призма активного давления остается в прежнем положении. Дальнейшее увеличение КЗУ связано с тем, что в мульду оседания начинает попадать верхняя часть откоса и происходит уменьшение высоты призмы давления. В итоге, весь откос попадает в плоское дно мульды и геометрически приобретает исходную форму. При этом все высотные отметки понижаются на величину максимально оседания.
На момент полной подработки гидроотвала значение КЗУ снижается до 1,254, что все еще удовлетворяет установленным требованиям, но является предельным для данного сооружения. Значение КЗУ после подработки обусловлено возвращением УВ в исходное положение, а также снижением прочностных свойств пород основания. При этом гидро-гео-логический фактор начинает оказывать влияния только тогда, когда деформации достигают верхней части откоса. Объясняется это тем, что УГВ в канале является постоянным в любой момент времени, в то время как в массиве УГВ в момент реализации деформаций опускается вместе с ним и восстанавливается только спустя время за счет фильтрации. Поэтому в первых положениях, когда деформации в верхней и средней частях откоса не столь велики, разница между УГВ1 и УГВ2 не значительна.
Влияние снижения прочности основания начинает сказываться с момента прохождения забоя непосредственно под
нижней бровкой откоса. В этот момент в область изменения свойств попадают четвертичные отложения под водоотводным каналом и под нижней частью дамбы. Поверхность скольжения начинает опускаться ниже, приобретая более выраженную кругло-цилиндрическую форму и КЗУ снижается.
В случае подработки гидроотвала в направлении из-под откоса наблюдается обратная тенденция. Вначале условия устойчивости откоса улучшаются, затем ухудшаются и КЗУ плавно снижается до своего минимального значения. Связано это, в первую очередь, с изменением геометрии откоса. При продвижении очистного забоя в мульду сдвижения вначале попадает верхняя часть откоса и в тот момент, когда она уже находится в плоском дне, граница мульды только достигает призмы упора. При этом оседания низового откоса в этот момент не значительны. При дальнейшем продвижении очистного забоя деформации реализуются уже в призме упора, тем самым ухудшая условия устойчивости.
Снижение прочности основания и изменение гидрогеологического режима в целом на условия устойчивости влияют также, как и в случае подработки «на откос».
В случае подработки лавой вдоль откоса условия устойчивости ухудшаются при расположениях лавы I = -200^100 м. При I = -150 + 50 м КЗУ снижается ниже нормативного значения. Подработка откоса в таких условиях может осуществляться при выполнении мониторинга безопасности. Минимальное значение КЗУ = 1,194 достигается при I = -50 м. При таком расположении выработки в точку максимального оседания попадает водоотводной канал, а оседания нижней части откоса составляют около двух метров. В средней части реализуются максимальные горизонтальные сдвижения, а верхняя часть откоса находится за пределами мульды сдвижения.
При расположении лавы под верхней частью условия устойчивости даже улучшаются. Однако, нужно понимать, что фактор порового давления здесь не учитывался. При таком расположении выработки намывной массив попадает в зону сжатия и соответственно в ней сформируется зона избыточного порового давления, что окажет дополнительное негативное влияние. Для контроля образования избыточного порового давления при попадании водонасыщенных массивов в зону сжатия мульды сдвижения необходимо откосы оборудовать специальными датчиками, регистрирующими возрастание давления в поровой воде. Наличие таких приборов в откосе позволит учесть влияние данного фактора при выполнении текущих расчетов устойчивости.
Заключение
Выполненный анализ основных факторов, влияющих на устойчивость подрабатываемых подземными горными работами откосов гидроотвалов, а также проведенные расчеты устойчивости на конкретном объекте для нескольких вариантов формирования мульды сдвижения при различном направлении движения забоя относительно откоса, позволяет отметить следующее.
Устойчивость подпорных элементов гидроотвалов, — дамб и плотин, — при их подработке определяется следующими основными факторами:
• изменением геометрических параметров сооружения;
• изменением напряженного состояния подработанных водонасыщенных
массивов за счет трансформации гидрогеологического режима и образования избыточного порового давления в зонах сжатия мульды сдвижения;
• снижением прочностных свойств пород естественного основания.
При подработке подпорных сооружений важнейшим моментом является также направление движения забоя в лаве относительно откоса гидроотвала. При выполнении подземных работ в направлении «на откос» условия его устойчивости на первых этапах ухудшаются, затем увеличиваются. В противоположном направлении отмечается обратная тенденция. Худшие условия устойчивости во всех случаях наблюдаются при подработке призмы упора. Подработка призмы активного давления, напротив, приводит к положительному результату — растет коэффициент запаса устойчивости откоса.
В целом, представленная методика позволяет оценить влияние подработки на устойчивость гидроотвалов и выполнить количественную оценку, дает возможность обосновать рекомендации по безопасной эксплуатации гидроотвала и ведению подземных горных работ под ним, а также обосновать необходимость выполнения на гидроотвалах мониторинга безопасности, включающего наблюдения за деформациями поверхности и гидрогеологического режима в откосе сооружения.
При выполнении последних необходимо особое внимание уделить измерениям избыточного порового давления с применением специальной тензометри-ческой аппаратуры.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Cao S. Numerical simulation of land subsidence and verification of its character for an iron mine using sublevel caving // International Journal of Mining Science and Technology. 2016, no 2 (26), pp. 327-332.
2. Gao F., Stead D., Coggan J. Evaluation of coal longwall caving characteristics using an innovative UDEC Trigon approach // Computers and Geotechnics. 2014. (55), pp. 448—460.
3. Seccombe R. Numerical Modelling of Mining Subsidence // Bachelor Thesis. 2014.
4. Spencer E. A method of analysis of the stability of embankments assuming parallel inter-slice forces // Géotechnique. 1967, no 1 (17), pp. 11—26.
5. Suchowerska Iwanec A. M., Carter J. P., Hambleton J. P. Geomechanics of subsidence above single and multi-seam coal mining // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2016, no 3 (8), pp. 304—313.
6. Авершин С. Г. Некоторые свойства процессов сдвижения горных пород и вопросы расчета сдвижений, № 43. — Л.: ВНИМИ, 1961. — C. 3—21.
7. Авершин С. Г., Муллер Р.А. Дифференциальное уравнение процесса сдвижения горных пород и деформаций земной поверхности в результате подземных горных работ / Вопросы проектирования и защиты зданий и сооружений от влияния горных выработок. — M.: Центро-гипрошахт, 1961. — C. 9—21.
8. Акимов А. Г. Геомеханические аспекты сдвижения горных пород при подземной разработке угольных и рудных месторождений. — 2003. — 166 c.
9. Борщ-Компониец В. М. и др. Оценка влияния трещиноватости на устойчивость массивов горных пород // Горный журнал. — 1960. — № 10. — C. 42—44.
10. Гальперин А.М. Геомеханика открытых горных работ: Учебник для вузов. — М.: Издательство МГГУ, 2003. — 473 с.
11. Кутепов Ю. И., Миронов А. С., Кутепов Ю. Ю., Саблин М. В., Боргер Е. Б. Обоснование безопасных условий подземной отработки свиты угольных пластов под гидроотвалом // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2018. — № 8. — C. 217—226. — DOI: 10.25018/0236-1493-2018-8-0-217-226.
12. Кутепов Ю. И., Кутепова H. А., Карасев М. А., Кутепов Ю. Ю. Прогноз формоизменения намывных массивов гидроотвалов при складировании на них отвальных насыпей // Горный журнал. — 2016. — № 12. — C. 23—27.
13. Кутепов Ю. И. Научно-методические основы инженерно-геологического обеспечения отвалообразования при разработке угольных месторождений. Авт. дис. на соиск. уч. степ. докт. техн. наук. — М., 1999.
14. Кутепов Ю.И., Кутепова H.А. Техногенез намывных отложений // Геоэкология. — 2003. — № 5. — C. 405—413.
15. Кутепов Ю. И., Кутепова H. А. и др. Указания по методам гидрогеомеханического обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабых основаниях. Ч. II. Обоснование оптимальных параметров отвальных сооружений. — Л.: ВНИМИ, 1990.
16. Кутепов Ю. Ю., Боргер Е. Б. Численное моделирование процесса сдвижения породных массивов применительно к горно-геологическим условиям шахты имени Рубана в Кузбассе // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2017. — № 5. — C. 66—75.
17. Кутепова H.А. Инженерно-геологическое обоснование прогноза гидрогеомеханиче-ских процессов при ведении горных работ: дис. ... д-ра техн.наук: 25.00.16. — СПб., 2011. — 424 с.
18. Кутепова H. А. Закономерности оползневых процессов на подрабатываемых территориях // Геоэкология. — 2005. — № 5. — С. 431—441.
19. Петухов И.А. Основные направления исследований сдвижений горных пород, охраны сооружений и природных объектов при разработке угольных месторождений, сб. 100. — Л.: ВНИМИ, 1976. С. 77—85.
20. Сахно И. Г., Грищенков H. H., Голубев Ф. М. Математическое моделирование сдвижений горного массива над одиночной лавой // Hауковi прац УкрНДМ1 НАН Укра'ши. — 2013. — № I (13). — C. 209—219.
21. Федеральный закон «О безопасности гидротехнических сооружений» от 21.07.97 № 117-ФЗ (Собрание законодательства Российской Федерации. 1997. № 30. Ст. 3589).
22. ПБ 07-269-98. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях — СПб., 1998. — 291 с. (Минтопэнерго РФ. РАН Гос. НИИ горн. геомех. и маркшейд. дела — Межотраслевой науч. центр ВНИМИ).
23. Ш 522-79. Инструкция по проектированию, строительству и эксплуатации гидротехнических сооружений на подрабатываемых горными работами территориях — М.: Стройиздат, 1981 — 29 с. (утв. 21.12.1979 Госстрой СССР). EQ3
REFERENCES
1. Cao S. Numerical simulation of land subsidence and verification of its character for an iron mine using sublevel caving. International Journal of Mining Science and Technology. 2016, no 2 (26), pp. 327-332.
2. Gao F., Stead D., Coggan J. Evaluation of coal longwall caving characteristics using an innovative UDEC Trigon approach. Computers and Geotechnics. 2014. (55), pp. 448—460.
3. Seccombe R. Numerical Modelling of Mining Subsidence. Bachelor Thesis. 2014.
4. Spencer E. A method of analysis of the stability of embankments assuming parallel inter-slice forces. Géotechnique. 1967, no 1 (17), pp. 11—26.
5. Suchowerska Iwanec A. M., Carter J. P., Hambleton J. P. Geomechanics of subsidence above single and multi-seam coal mining. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2016, no 3 (8), pp. 304—313.
6. Avershin S. G. Nekotorye svoystva protsessovsdvizheniya gornykh porod i voprosy rascheta sdvizheniy [Some properties of the processes of movement of rocks and the issues of calculating movements], no 43, Leningrad, VNIMI, 1961, pp. 3—21.
7. Avershin S.G., Muller R.A. Differentsial'noe uravnenie protsessa sdvizheniya gornykh porod i deformatsiy zemnoy poverkhnosti v rezul'tate podzemnykh gornykh rabot [Differential equation of the process of displacement of rocks and deformations of the earth's surface as a result of underground mining] Voprosy proektirovaniya i zashchity zdaniy i sooruzheniy ot vliyaniya gornykh vyrabotok, Moscow, Tsentrogiproshakht, 1961, pp. 9—21.
8. Akimov A. G. Geomekhanicheskie aspekty sdvizheniya gornykh porod pri podzemnoy raz-rabotke ugol'nykh i rudnykh mestorozhdeniy [Geomechanical aspects of the movement of rocks in the underground development of coal and ore deposits], 2003, 166 p.
9. Borshch-Komponiets V. M. Evaluation of the effect of fracturing on the stability of rock masses, Gornyy zhurnal. 1960, no 10, pp. 42—44. [In Russ].
10. Gal'perin A. M. Geomekhanika otkrytykh gornykh rabot: Uchebnik dlya vuzov [Geomechanics of open pit mining. A textbook for high schools], Moscow, Izdatel'stvo MGGU, 2003, 473 p.
11. Kutepov Yu. I., Mironov A. S., Kutepov Yu.Yu., Sablin M. V., Borger E. B. Substantiation of safe underground mining in series of coal seams under hydraulic fill. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018, no 8, pp. 217—226. DOI: 10.25018/0236-1493-2018-8-0-217-226. [In Russ].
12. Kutepov Yu. I., Kutepova N. A., Karasev M. A., Kutepov Yu. Yu. Prediction of deformation of hydraulic-mine dumps overlaid with dump embankment, Gornyy zhurnal. 2016, no 12, pp. 23— 27. [In Russ].
13. Kutepov Yu. I. Nauchno-metodicheskie osnovy inzhenerno-geologicheskogo obespecheni-ya otvaloobrazovaniya pri razrabotke ugol'nykh mestorozhdeniy [Scientific and methodological foundations of engineering and geological support for rock formation in the development of coal deposits], Doctor's thesis, Moscow, 1999.
14. Kutepov Yu. I., Kutepova N. A. Technogenesis of alluvial deposits. Geoekologiya. 2003, no 5, pp. 405—413. [In Russ].
15. Kutepov Yu. I., Kutepova N. A. Ukazaniya po metodam gidrogeomekhanicheskogo obosno-vaniya optimal'nykh parametrovgidrootvalov i otvalov na slabykh osnovaniyakh. Ch. II. Obosnovanie optimal'nykh parametrovotval'nykh sooruzheniy [Instructions on the methods of hydrogeomechani-cal substantiation of optimal parameters of hydraulic dumps and dumps on weak grounds. Part II. Justification of the optimal parameters of dump structures], Leningrad, VNIMI, 1990.
16. Kutepov Yu. Yu., Borger E. B. Numerical modeling of the rock mass subsidence applied to geological conditions of the mine named after Ruban in Kuzbass. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017, no 5, pp. 66—75. [In Russ].
17. Kutepova N. A. Inzhenerno-geologicheskoe obosnovanie prognoza gidrogeomekhanich-eskikh protsessov pri vedenii gornykh rabot [Engineering and geological substantiation of the forecast of hydrogeomechanical processes during mining operations], Doctor's thesis, Saint-Petersburg, 2011, 424 p.
18. Kutepova N. A. Patterns of landslide processes in the undermined territories. Geoekologiya. 2005, no 5, pp. 431—441. [In Russ].
19. Petukhov I. A. Osnovnye napravleniya issledovaniy sdvizheniy gornykh porod, okhrany sooruzheniy i prirodnykh ob"ektov pri razrabotke ugol'nykh mestorozhdeniy [The main directions of research are the subsidence of rock masses, the protection of structures and natural objects in the development of coal deposits, no 100], Leningrad, VNIMI, 1976, pp. 77—85.
20. Sakhno I. G., Grishchenkov N. N., Golubev F. M. Numerical modeling of subsidence over a single longwall. Naukovi pratsi UkrNDMI NAN Ukraini. 2013, no I (13), pp. 209-219.
21. Federal'nyy zakon «0 bezopasnosti gidrotekhnicheskikh sooruzheniy» ot 21.07.97 № 117-FZ (Sobranie zakonodatel'stva Rossiyskoy Federatsii. 1997, no 30. St. 3589) [Federal Law « On the Safety of Hydraulic Structures» dated July 21, 1997 No 117-FZ].
22. Pravila okhrany sooruzheniy i prirodnykh ob"ektov ot vrednogo vliyaniya podzemnykh gornykh razrabotok na ugol'nykh mestorozhdeniyakh. PB 07-269-98 [Protection Regulations of constructions and natural objects from harmful influence of underground mining in coal deposits], Saint-Petersburg, 1998, 291 p.
23. Instruktsiya po proektirovaniyu, stroitel'stvu i ekspluatatsii gidrotekhnicheskikh sooruzheniy na podrabatyvaemykh gornymi rabotami territoriyakh. SN 522-79 [Instructions for the design, construction and operation of hydraulic structures in the mined areas], Moscow, Stroyizdat, 1981, 29 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Протосеня Анатолий Григорьевич1 — доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой, e-mail: kaf-sgp@mail.ru, Кутепов Юрий Юрьевич1 — аспирант, e-mail: KutepovYY@ya.ru, 1 Санкт-Петербургский горный университет. Для контактов: Кутепов Ю.Ю., e-mail: KutepovYY@ya.ru.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
A.G. Protosenya1, Doctor of Technical Sciences, Professor,
Head of Chair, e-mail: kaf-sgp@mail.ru,
Yu.Yu. Kutepov1, Graduate Student, e-mail: KutepovYY@ya.ru,
1 Saint Petersburg Mining University, 199106, Saint-Petersburg, Russia.
Corresponding author: Yu.Yu. Kutepov, e-mail: KutepovYY@ya.ru.
РУКОПИСИ, ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «ГОРНАЯ КНИГА»
АНАЛИЗ СЛУЧАЯ ПРИКОСНОВЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА К АВАРИЙНОМУ ОБОРУДОВАНИЮ В СИСТЕМЕ TN-C В УСТАНОВИВШЕМСЯ РЕЖИМЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1 КВ КАРЬЕРА «ИСАЕВКА»
(№ 1177/03-19, № 1177/03-19 от 04.02.2019; 7 с.)
Швакин Иван Михайлович1 — студент, e-mail: IvanShv150@yandex.ru,
Петров Геннадий Михайлович1 — кандидат технических наук, профессор, e-mail: petrovgm@mail.ru, 1 НИТУ «МИСиС».
Рассмотрен случай замыкания фазы на корпус электропотребителя с участием человека в электрической сети карьера «Исаевка» с режимом нейтрали TN-C. Получены аналитические зависимости напряжения прикосновения от различных параметров электрической сети.
Ключевые слова: условие электробезопасности, короткое замыкание, напряжение прикосновения, глухозаземленная нейтраль, система заземления TN-C.
A CASE ANALYSIS THE HUMAN TOUCH THE EMERGENCY EQUIPMENT IN THE SYSTEM TN-C IN THE STEADY STATE ELECTRIC NETWORK WITH VOLTAGE UP TO 1 KV A CAREER «ISAEVKA»
I.M. Shvakin1, Student, e-mail: IvanShv150@yandex.ru,
G.M. Petrov1, Candidate of Technical Sciences, Professor, e-mail: petrovgm@mail.ru,
1 National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia.
The case of closure phase on the body of the electrical load with a participation in the electric network career «Isaevka» with the regime of neutral TN-C. Analytical dependences of touch voltage on various parameters of electrical network.
Key words: electrical safety condition, short-circuit, touch voltage, dead-earth neutral, grounding system TN-C.
