CC BY
0к.т.н. Ларченко В. Г., Коваленко Е. В., Маталкина Ю. А.
(ДонГТИ, г. Алчевск, ЛНР, larchenko2020@rambler.ru)
ПРОГНОЗ ВЕРОЯТНЫХ ОСЕДАНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ЕЁ ПОДРАБОТКЕ НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ
Приведена усовершенствованная методика прогноза вероятных оседаний земной поверхности введением в расчетную формулу дополнительных определяющих факторов: глубины очистных работ, относительной величины вероятных оседаний и коэффициента остаточных межслоевых расслоений, позволивших повысить точность прогноза оседаний земной поверхности. Среднее отклонение вероятных оседаний от фактических при полной подработке по абсолютной величине составило ±5 %, что позволяет повысить точность расчета вероятных деформаций земной поверхности и выбора мер охраны проектируемых или строящихся сооружений и коммуникаций на угленосных территориях при отсутствии плана развития очистных работ, особенно на глубинах более 500 м.
Ключевые слова: вероятные оседания земной поверхности, глубина разработки, мощность пласта.
УДК 622.837
Развитие промышленности ЛНР зависит от топливоэнергетической базы, основой которой является каменный уголь, а это единственный энергоноситель, которым в достаточном количестве владеет ЛНР. Но до 30 % балансовых запасов угля залегает под застроенными территориями, коммуникациями и природными объектами.
Создание экологических и безопасных условий разработки запасов угля подземным способом обеспечивается проектными мерами охраны подрабатываемых сооружений земной поверхности, выбор которых зависит от достоверных ожидаемых или вероятных параметров процесса сдвижения горных пород. Ожидаемые параметры сдвижений и деформаций земной поверхности под сооружениями и коммуникациями определяют инструментальными предварительными наблюдениями в аналогичных горно-геологических условиях или по действующим нормативным «Правилам охраны сооружений...» [1, 2] при наличии календарного плана развития горных работ. Но часто возникает необходимость выбора горных или конструктивных мер охраны под строящиеся или про-
ектируемые здания, сооружения на участках, под которыми еще нет плана развития очистных работ. В таких случаях при выборе мер охраны используют вероятные сдвижения и деформации земной поверхности, вычисленные по методикам «Правил охраны...» [1, 2].
В отраслевых действующих «Правилах.» [1] расчет вероятных оседаний рекомендовано определять по формуле
ц = 0,9 (m1 + m2 +... + mn )• cosa, м, (1)
где mi, m2, ..., mn — мощность пластов, планируемых к разработке, м; n — число пластов; а — угол залегания пластов. Из формулы (1) видно, что вычисленные по методике «Правил.» [1] вероятные оседания земной поверхности щ не зависят от глубины подработки Н, прочности пород, что противоречит теории сдвижения подработанного массива.
Оседания являются основным параметром при вычислении горизонтальных сдвижений и всех видов деформаций земной поверхности.
Науки о земле
Поэтому вычисленные по «Правилам...» [1, 2] вероятные сдвижения и деформации земной поверхности не соответствуют фактическим, особенно при больших глубинах разработки, а принятые на их основе меры охраны подрабатываемых сооружений будут неэффективными.
Целью работы является совершенствование методики расчета вероятных оседаний земной поверхности для повышения эффективности принятых на их основе мер охраны подрабатываемых сооружений, обеспечения безопасных условий их эксплуатации.
Объект исследования — процесс сдвижения подработанного массива горных пород при добыче угля подземным способом.
Предмет исследования — зависимость вероятных оседаний земной поверхности от глубины подработки и степени метаморфизма массива горных пород.
Задачи исследований:
- определение зависимости вероятных оседаний земной поверхности от глубины разработки угольных пластов и прочности горных пород;
- совершенствование прогноза вероятных оседаний земной поверхности для расчета деформаций и выбора мер охраны сооружений при отсутствии плана развития очистных работ.
Исследования выполнялись математическим моделированием вероятных параметров процесса сдвижения подработан-
Лв = Чв (Щ - КрН1 + т2 - Кр
где т\, т2, ..., тп — мощность пластов, м;
а — средний угол падения пластов, градус;
qв — относительные величины вероятных оседаний земной поверхности, определяются по таблице 1;
Н — глубина залегания пластов, м;
Кр — коэффициенты остаточных межслоевых расслоений (разуплотнений) подработанного массива горных пород, зависящие от литологии толщи пород, мощно-
ного массива горных пород с учетом основных определяющих факторов и их сопоставлением с результатами натурных инструментальных наблюдений.
Толщу горных пород приняли как слоистую среду, состоящую из слоев литологи-ческих пород различной прочности, мощности и форм проявления процесса сдвижения при подработке на глубинах в интервале 100-1600 м.
Основными факторами, определяющими вероятные параметры процесса сдвижения горных пород при подземном способе разработки угольных пластов, являются: вынимаемая мощность пласта, глубина очистных работ, степень метаморфизма подработанного массива пород (прочность горных пород), угол падения пласта, нарушенность толщи тектоническими нарушениями или первичной подработкой. Из перечисленных основных факторов, влияющих на вероятные сдвижения и деформации земной поверхности, в действующих нормативных «Правилах...» [1, 2] учтены только два (мощность пластов и угол их залегания), почему и степень прогноза (достоверность) вероятных оседаний земной поверхности низкая.
Поэтому накопленный большой опыт натурных инструментальных наблюдений (299 серий) [3, 4], теоретических исследований [5], результаты математического моделирования позволяют рекомендовать для прогноза вероятных оседаний щв земной поверхности аналитическое выражение (2)
I +... + mn - КрН2п )• cosa, м, (2)
сти, прочности и количества слоев пород, установленные натурными наблюдениями, теоретическими исследованиями и рекомендуемые на данном этапе исследования в соответствии с таблицей 1.
Коэффициенты остаточных расслоений планируется уточнять по мере накопления результатов натурных инструментальных наблюдений, особенно на больших глубинах разработки угольных пластов.
Таблица 1
Относительные величины вероятных оседаний земной поверхности и коэффициенты остаточных расслоений подработанного массива пород
При первичной подработке При повторной подработке Условия применения в районах залегания углей марок: а 0-40°
Яа Кр, 1/м2 Яа Кр, 1/м2
0,8 310-/ 0,85 2,510-/ антрацитов
0,85 2,5 10-7 0,9 210-/ Ж, К, ОС, Т и Д-Г при h/H < 0,3
0,9 210-/ 0,95 1,510-/ Д-Г при h/H > 0,3
Для визуального подтверждения зависимости вероятных оседаний земной поверхности щв от глубины разработки Н в интервале 100-1600 м одного пласта мощностью 1 м, различной степени метаморфизма толщи пород, трех марок угля с углом падения а = 10° выполнен расчет щв по формуле (3) при первичной и повторной подработках (табл. 2):
Ve = Чв (m ~ КрН2 j- cosa, м. (3)
По результатам щв построены графики зависимости вероятных оседаний земной поверхности от глубины подработки Н, характеризующие степенную зависимость щв от Н,
косвенно учитывают прочность массива пород (марку угля) и его нарушенность первичной подработкой (рис. 1), что соответствует теории процесса сдвижения горных пород, геомеханике, близки к результатам натурных наблюдений (табл. 3).
Среднее арифметическое значение отклонений вычисленных по формуле вероятных оседаний земной поверхности от фактических, приведенных к условиям полной подработки Щфп, составило по абсолютной величине 5 %, а с учетом знаков — 0,43 % (табл. 3), что на этом этапе исследований вполне приемлемо.
Таблица 2
Вероятные оседания земной поверхности при глубинах подработки Н в районах залегания угля марок
Н, м 100 200 300 400 500 600 /00 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600
Первичная подработка
Антрацит
П, мм /85 //6 /61 /40 /14 681 643 599 548 492 430 362 288 209 123 32
Другие марки угля при h/H < 0,3
П, мм 835 82/ 815 /98 //6 /48 111 680 638 591 540 482 421 354 284 20/
Д-Г при h/H > 0,3
П, мм 884 8/8 869 855 83/ 815 /90 /60 /2/ 689 648 603 553 500 443 382
Повторная подработка
Антрацит
П, мм 835 82/ 815 /98 //6 /48 /16 680 638 591 540 482 421 354 284 20/
Другие марки угля при h/H < 0,3
П, мм 884 8/8 869 855 83/ 815 /90 /60 /2/ 689 648 603 553 500 443 382
Д-Г при h/H > 0,3
П, мм 934 930 922 912 899 882 863 841 816 /88 /5/ /23 686 646 603 55/
Примечание: h/Н — отношение мощности четвертичных отложений к глубине горных работ.
Науки о земле
Сопоставление цв, вычисленных по формуле (3), с результатами натурных наблюдений в Восточном Донбассе
Таблица 3
№ Наблюдательная станция Пласт m, м а, ° Я, м Пф, мм при Д/Я > 1 Пвер, мм Дп/ПФ, %
1 2 о 3 4 5 6 7 8 9
1 ш. «Западная», лавы 602, 604 kЯ 0,95 7 488 672 698 +3,8
2 № 26 ш. «Южная», лавы 1522, 1524 1,5 8 748 1121 1064 -5,1
о 3 № 1 ш. «Южная», лавы 1522, 1524 1,5 8 724 628 635 +1,1
1 2 о 3 4 5 6 7 8 9
4 № 8 ш. «Южная», лавы 1518, 1520 ¿3я 1,4 8 678 1132 1023 -9,6
5 № 8 ш. им. Красина, лавы 1106, 1108 kH 0,85 8 245 688 659 -4,2
6 № 15 «Нежданная», лавы 1025, 1027 kB 0,85 6 258 610 660 +8,2
7 № 16 «Нежданная», лавы 1025, 1027 J В k2 0,82 6 267 628 636 +1,27
8 ш. «Ворошиловская» ГП «Ровенькиантрацит», лава 352 ¿3 1,0 4 500 695 738 +6,2
9 ш. им. Володарского ГП «Сведловантрацит», вост. лавы 60-66 k2B 1,12 16 830 744 702 -5,6
Примечание: |Дпср| = 5,0 %, Дцср. алгебр = -0,43 %.
1 — антрацит; 2 — другие марки угля при h/H < 0,3; 3
4 — по «Правилам...»
— другие марки угля при h/H > 0,3; [1]
Рисунок 1 Графики зависимостей вероятных оседаний земной поверхности от глубины подработки Н в районах залегания угля различных марок
Выполненные исследования позволили сделать следующие выводы:
1. Установлена степенная зависимость вероятных оседаний земной поверхности от глубины подработки.
2. Относительными величинами оседаний qв и коэффициентами разуплотнений слоистого массива Кр косвенно учтена степень метаморфизма подработанной толщи пород (марки угля) и уровень ее нарушен-ности первичной подработкой.
3. Повышена точность прогноза вероятных оседаний учетом трех влияющих фак-
Библиографический список
торов в сравнении с действующими «Правилами...» [1, 2], что позволит повысить эффективность принятых на их основе мер охраны сооружений и коммуникаций земной поверхности при отсутствии плана развития горных работ.
Дальнейшие исследования будут направлены на уточнения коэффициентов расслоений подработанного массива Кр, повышение точности прогноза вероятных оседаний и деформаций земной поверхности, накопление результатов натурных наблюдений, особенно при больших глубинах очистных работ.
1. ГСТУ-101.00159226.001-2003. Правила подработки зданий, сооружений и природных объектов при добыче угля подземным способом [Текст] : утв. Минтопенерго Украины 28.11.2003 № 703. — Введ. 2004-04-01. — Донецк : Укр НИМИНАН Украины, 2004. — 128 с.
2. ПБ 07-269-98. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях [Текст] : утв. Госгортехнадзором Рос. Федерации 16.03.1998. — Введ. 1998-10-01. — СПб. : Межотраслевой науч. центр ВНИМИ, 1998. — 291 с.
3. Ларченко, В. Г. Зависимость горизонтальных деформаций земной поверхности от ширины выработанного пространства и размеров целиков [Текст] / В. Г. Ларченко // Вестник МАНЭБ. — СПб., 2000. — № 2 (26). — С. 30-32.
4. Ларченко, В. Г. Практические результаты исследований деформаций земной поверхности при отработке свиты пологих угольных пластов [Текст] / В. Г. Ларченко // Форум г1рник1в — 2009 : матер1али М1жнародног конф. — Днепропетровск : НГУ, 2009. — С. 222-230.
5. Ларченко, В. Г. Моделирование напряжений и сдвижений подработанной толщи горных пород методом конечных элементов [Текст] / В. Г. Ларченко, О. А. Черных // Сборник научных трудов ДонГТУ. — 2006. — Вып. 21. — С. 22-29.
© Ларченко В. Г., Коваленко Е. В., Маталкина Ю. А.
Рекомендована к печати к.т.н., доц. каф. РМПИ ДонГТИ Леоновым А. А., нач. отд. геологии и недропользования Минтопэнерго ЛНР Тихомировой Е. В.
Статья поступила в редакцию 28.09.2021.
PhD in Engineering Larchenko V. G., Kovalenko E. V., Matalkina Yu. A. (DonSTI, Alchevsk, LPR) PREDICTION OF PROBABLE SUBSIDENCE OF THE EARTH'S SURFACE DURING ITS UNDERMINING AT GREAT DEPTHS
An improved method for predicting probable subsidence of the Earth's surface is presented by introducing additional determining factors into the calculation formula: the depth of second working, the relative magnitude ofprobable subsidence and the coefficient of residual interlayer stratifications, which allowed to increase the accuracy of predicting the Earth's surface subsidence. The average deviation of probable subsidence from the actual one with full undermining in absolute value was ±5 %, which allowed to increase the accuracy of calculating the probable deformations of the Earth's surface and to select the protection measures for the designed or constructed structures and communications in coal-bearing areas without plan for the second working development, especially at depths of more than 500 m.
Key words: probable subsidence of the Earth's surface, digging depth, seam thickness.
