CC BY
1Науки о земле
УДК 622.834
к.т.н. Ларченко В. Г., Коваленко Е. В., Маталкина Ю. А. (ДонГТУ, г. Алчевск, ЛНР)
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЁТА ОЖИДАЕМЫХ СДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ДОБЫЧЕ УГЛЯ
Приведена скорректированная методика расчёта ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности в главных сечениях мульды при добыче угля подземным способом.
Ключевые слова: расчёт сдвижений и деформаций земной поверхности, скорректированная методика, подземная разработка угольных пластов, граничные углы.
Проблема и её связь с научными и практическими задачами. Маркшейдерская служба шахт несёт ответственность за безопасную подработку инженерных сооружений, коммуникаций и природных объектов, за выбор оптимальных мер их охраны, основой которых являются максимальные ожидаемые или вероятные сдвижения и деформации земной поверхности. Предварительно определить последние можно расчётом по методикам отраслевых стандартов Украины [1] или РФ [2], где основным параметром является максимальное оседание г]т , вычисляемое с 1972 года по нормативным документам [1-4] по одной и той же формуле. Выполненные исследования [5-7] показали (табл. 1, рис. 1), что при постоянных отношениях размеров выработанного пространства Д к глубине подработки Н и полной подработке в горно-геологических условиях
m = 1 м, а=5°, Д1 = 2000 м,
(Д2 = 1,2,, Н
I h
— > 0,8, — < 0,3) г]т возрастает с увеличеН Н
нием Н от 100 до 1000 м, а при дальнейшем возрастании Н г]т остаётся постоянной величиной, то есть не зависит от Н. При отношении размеров целика I у соответствующей границы к Н, равном 0,4 (в районах кроме разработки антрацита), г}т не зависит от Н при её увеличении от 100 до 1600 м (рис. 1, прямая 4), что противоречит основным положениям геомеханики и сдвижения слои-
стой толщи горных пород и указывает на необходимость корректировки методики расчёта ожидаемых и вероятных сдвижений и деформаций земной поверхности, а это является актуальной научной и практической задачей угольной отрасли.
Постановка задачи. Задачей данного этапа исследований является корректировка методики расчёта ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности в главных сечениях мульды.
Изложение материала и его результаты. На параметры процесса сдвижений и деформаций земной поверхности влияет более 10 факторов. Глубина очистных работ и литология толщи пород являются одними из главных. Они учитывались при расчётах максимальных оседаний в нормативных документах [1-4] коэффициентами N1, N и относительной величиной q0, подтверждены натурными наблюдениями, в основном при Н до 600 м, но, как показывают исследования [5-7], при больших глубинах её влияние на параметры сдвижений и деформаций подработанного массива горных пород не является достаточным.
Поэтому целью данного этапа исследований является корректировка методик расчёта ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности [1, 2] в главных сечениях мульды, так как на многих шахтах Донбасса уголь добывают на глубинах более 1000 м, а влияние Н на г]т учтено недостаточно (табл. 1, рис. 1).
Науки о земле
Таблица 1
Максимальные оседания и деформации земной поверхности при различных Н по методике [1]
Н, м Im , м L3, м im10-3 ^m Ю-'
— > 0,8 H ^ = 0,4 H
100 0,741 0,798 106,4 14,2 -6,7
200 0,742 0,798 212,8 7,10 -3,4
300 0,749 0,798 319,2 4,80 -2,3
400 0,757 0,798 425,5 3,72 -1,79
500 0,764 0,798 532 3,03 -1,47
600 0,771 0,798 638,4 2,58 -1,25
700 0,779 0,798 744,8 2,27 -1,09
800 0,786 0,798 851,2 2,01 -0,98
900 0,794 0,798 957,6 1,82 -0,90
1000 0,797 0,798 1064 1,65 -0,82
1100 0,798 0,798 1170,4 1,50 -0,74
1200 0,798 0,798 1276,8 1,37 -0,68
1300 0,798 0,798 1383,2 1,27 -0,63
1400 0,798 0,798 1489,5 1,18 -0,59
1500 0,798 0,798 1596 1,10 -0,55
1600 0,798 0,798 1702,4 1,0 -0,51
Рисунок 1 Графики зависимости максимальных оседаний г]т, наклонов im и горизонтальных
деформаций Ет земной поверхности от Н по методике [1] при Д2 = 1,2, д0 = 0,8, — > 0,8
Н Н
Науки о земле
Исследования выполнялись методами натурных наблюдений [8-10], физическим и математическим моделированием методом конечных элементов [11], теоретическим [5-7].
Рекомендуем расчёт сдвижений и деформаций земной поверхности выполнять по скорректированным формулам (1-13):
1) максимальное оседание:
2
Vm = Чо ■ m ■ cosa • N1 • N2 - КР • Н , м; (1) ^
2)сдвижения и деформации в точках главных сечений мульды сдвижения:
- оседание:
ЛХу = Лп
S (Zx, y X м;
(2)
- наклоны:
вкрест простирания
i = Лш
у ~ T Ti(2)
по простиранию
■S '(Zv),
(3)
= • s '(Zx);
т
(4)
3
кривизна:
вкрест простирания
kv =
Лп
T(2)
• S" (Zy),
(5)
по простиранию Лп
kx =Jmt • S" (Zx);
горизонтальные сдвижения: по падению
(6)
SyX = 0,5 • a0 •Лш [S '(Zyi) + 2BS(Zyi)], м (7)
по восстанию
Sv2 =-0,5 • a0 • Лш [S '(Zy2) - 2BS(Zy2)] ,м (8)
по простиранию
Zx = 0,5 • a0 •Vm • S' (Zx X м,
(9)
i h + h B = — (tga- > 0; (10)
a
Н
l0 "ср
- горизонтальные деформации: по падению
Ey1 = 0,5ao V[S''(Zy1) + 2BS\ZyX)], (11)
Ti
по восстанию
= 0,5a0 Л 0 L2
по простиранию
S"(Zy2) - 2BS'(Zy2) , (12)
^x = 0,5a0 Л-S " (Zx ),
(13)
где д0, а0 — относительные величины максимального оседания и горизонтальных сдвижений, определяемые по таблице А-1 [1];
т — вынимаемая мощность пласта, м; а — угол падения пласта, градус; N1, N2 — коэффициенты, характеризующие степень подработанности земной поверхности соответственно вкрест протирания и по простиранию, безразмерные величины, определяемые по формулам (14):
N1 =)/ 0,9 Д^ N2 =^0,9 Д2, (14)
где Д1, Д2 — суммарные длины смежных очистных выработок соответственно вкрест простирания и по простиранию пласта, м; Н — средняя глубина разработки, м; Кр — коэффициент остаточных межслоевых расслоений (разуплотнений) подработанной толщи пород, зависящий от литологии массива, мощности, прочности и количества слоёв горных пород, предварительно установленный натурными наблюдениями [8, 9], теоретическими исследованиями [5-7, 11], моделированием на физических моделях и рекомендуемый на данном этапе при первичной подработке в антрацитовых районах Донбасса Кр = 3 10-7 1/м2, в остальных районах Восточного Донбасса Кр = 2,5-10 1/м2 и требующий уточнения по результатам натурных наблюдений при подработке на больших глубинах;
х
Науки о земле
S(Z), S'(Z), S"(Z) — функции типовых кривых, определяемые для Донецкого бассейна по таблицам А.4-А.6 [1]; h — мощность наносов, м; hM — мощность горизонтально залегающих мезозойских отложений; Li, L2, L3 — длины полумульд, определяем по граничным углам и углу максимального оседания 0 при неполной подработке или по углам полных сдвижений yi, у 2, ¥з при полной подработке графически или аналитически, которые также считаем целесообразным корректировать при Н > 600 м.
Функции типовых кривых S(Z), S'(Z), S"(Z) логично принимать Z = 1 в точке максимального оседания при неполной подработке или в начале плоского дна при полной подработке, а Z = 0 определять по граничным углам fi , у , 8 , то есть считаем
целесообразным развернуть на 180° оцифровку точек типовых кривых сдвижений и
деформаций на вертикальных разрезах в главных сечениях мульды и в таблицах.
Рекомендуемые в таблице 2 углы, вычисленные по арифметической прогрессии, косвенно учитывают прочность, слоистость толщи пород и глубину очистных работ, ограничивают прямолинейное увеличение длин полумульд на больших глубинах (табл. 3), форма зоны сдвижения очистной выработки в каменноугольных отложениях в главных сечениях мульды близка к эллипсоиду или усечённому эллипсоиду при
наличии плоского дна (при Д > 1,2 ), а опре-
Н
делённые по приведённой методике параметры максимальных оседаний и деформаций земной поверхности в полумульде по простиранию пласта (табл. 3, рис. 2) и их зависимости от Н близки к результатам натурных наблюдений [10], не противоречат теории прочности и сдвижения горных пород.
Таблица 2
Граничные углы, углы полных сдвижений и угол максимального оседания
Марка угля Граничные углы Угол максимального оседания ©
ß 0 У 0 8 0
А 75° - 0,8«+ НГ • КУ > 25° 75° + 0,2«+ НГ ■ КУ 75° + НГ ■ КУ 90° - 0,8а + НГ • КУ
70° -0,8«+ НГ • КУ > 25° 70° + 0,2«+ НГ ■ КУ 70° + НГ ■ КУ 90° - 0,8а + НГ • КУ
остальные марки 72° - 0,8«+ НГ • Ку> 25° 72° + НГ ■ КУ 72° + НГ ■ КУ 90° - 0,8а + НГ • КУ
70° - 0,8«+ НГ • Ку> 25° 70° + НГ ■ КУ 70° + НГ ■ КУ 90° - 0,8а + НГ • КУ
Углы полных сдвижений
у нижней границы ¥i у верхней границы ¥2 по простиранию ¥з
А 55° + НГ КУ 55° + 0,3а + НГ КУ 55° + НГ КУ
остальные марки 55° + НГ КУ 55° + 0,3а + НГ КУ 55° + НГ КУ
Примечания:
1) в числителе приведены выражения для неподработанной толщи, в знаменателе — для подработанной;
2) НГ = НСр - 600 м > 0;
3) КУ — коэффициент увеличения улов с возрастанием глубины (при Н > 600 м): рекомендуемый в антрацитовых районах КУ = 0,015 градус/м, при разработке других марок угля и в подработанном массиве К'У = 0,01 градус/м; требует дальнейшего подтверждения по результатам натурных наблюдений при выемке угля на глубинах более 600 м.
Науки о земле
Д2
Рисунок 2 Кривые зависимостей rm, im, sm от Н при m = 1 м, а=5°, Д1 = 2000 м, —2 = 1,2
H
Значения r„
sm , вычисленные по формулам (2, 5, 9)
Таблица 3
Н, м Ж-Т Антрацит Антрацит
rm , м rm , м (нов ) L3, м im , 110 3 sm 110-3
100 0,795 0,745 96 17,1 8,5
200 0,785 0,736 195 8,29 4,1
300 0,775 0,721 293 5,41 2,69
400 0,757 0,700 390 3,95 1,96
500 0,735 0,673 488 3,03 1,51
600 0,707 0,640 590 2,36 1,18
700 0,675 0,601 640 2,06 1,03
800 0,637 0,556 675 1,80 0,90
900 0,595 0,505 700 1,59 0,79
1000 0,548 0,448 712 1,38 0,69
1100 0,495 0,385 715 1,18 0,59
1200 0,437 0,316 715 0,97 0,48
1300 0,375 0,241 703 0,75 0,37
1400 0,308 0,160 672 0,52 0,26
1500 0,235 0,073 633 0,25 0,13
1600 0,157 0 586 0 0
m
ISSN 2077-1738. Сборник научных трудов ГОУ ВПО ЛНР «ДонГТУ» 2019. № 15 (58)
Науки о земле
Условия применения приведённой методики расчёта ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности:
- отсутствие в зоне влияния тектонических нарушений;
- разрабатываемые пласты с углом падения не более 45°;
- исключение условий суммирования однозначных деформаций [8];
- отсутствие в подработанной толще крепких песчаников мощностью слоя более 25 м.
Выводы и направление дальнейших исследований:
1. Предложены скорректированная методика расчёта ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности в глав-
Библиографический список
ных сечениях мульды сдвижения, скорректированные формулы определения граничных углов, углов полных сдвижений и максимального оседания.
2. Вычисленные по новой методике г]т ,
Lз, 1т , £т (табл. 3, рис. 2) не противоречат основным положениям геомеханики и сдвижения подработанной толщи пород.
3. Дальнейшие исследования авторов будут направлены на уточнения коэффициентов Кр и Ку по результатам натурных наблюдений, моделирования и теоретических исследований.
1. ГСТУ 101.00159226.001-2003. Правила подработки зданий и сооружений и природных объектов при добыче угля подземным способом [Текст]. — Введ. 2003-10-28. — Киев : УкрНИМИНАН Украины, 2004. — 128 с.
2. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях [Текст] : ПБ 07-269-98 : утв. Госгортехнадзором РФ 06.03.1998. — Введ. 1998-10-01. — Санкт-Петербург : Межотраслевой науч. Центр ВНИМИ, 1998. — 291 с.
3. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях [Текст] : утв. М-вом угольной промышленности СССР. — М. : Недра, 1981. — 288 с.
4. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок в Донецком угольном бассейне [Текст] : утв. М-вом угольной промышленности СССР 21.02.1972. — М. : ТипографияХОЗУМУПСССР, 1972. — 133 с.
5. Ларченко, В. Г. Максимальные оседания и деформации земной поверхности при подработке на больших глубинах [Текст] / В. Г. Ларченко, Е. В. Коваленко, Ю. А. Маталкина // Сборник научных трудов ДонГТУ, 2018. — Вып. 11 (54). — С. 33-40.
6. Ларченко, В. Г. Исследование влияния глубины подработки на параметры процесса сдвижения земной поверхности [Текст] / В. Г. Ларченко, Ю. А. Маталкина // Сборник научных трудов ДонГТУ, 2017. — Вып. 7 (50). — С. 53-57.
7. Ларченко, В. Г. Влияние глубины разработки угольных пластов на окружающую среду [Текст] / В. Г. Ларченко, Е. В. Коваленко, Ю. А. Маталкина // Сборник трудов научной конференции. — Алчевск : ГОУ ВПО ЛНР «ДонГТУ», 2018. — С. 57-66.
8. Ларченко, В. Г. Практические результаты исследований деформаций земной поверхности при отработке свиты пологих угольных пластов [Текст] / В. Г. Ларченко // Матер1али м1жнародног конференцИ' «Форум г1рник1в - 2009». — Днепропетровск : НГУ, 2009. — С. 222-230.
9. Ларченко, В. Г. Процесс сдвижений и деформаций подработанного массива горных [Текст] / В. Г. Ларченко // Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях : материалы 7-го международного симпозиума. — Белгород : ВИОГЕМ, 2003. — С. 238-244.
10. Посыльный, Ю. В. Максимальные оседания земной поверхности в антрацитовых районах Донбасса [Текст] / Ю. В. Посыльный, А. А. Джулай, Е. А. Тетерин // Перспективы развития Восточного Донбасса : сб. науч. трудов ШИЮРГТУ (НПИ). — Новочеркасск : Набла, 2007. — Вып. 4.2. — С. 282-294.
Науки о земле
11. Ларченко, В. Г. Определение зависимости параметров сдвижений и деформаций подработанной толщи горных пород от определяющих факторов методом конечных элементов [Текст] /В. Г. Ларченко, О. А. Черных //Вестник МАНЭБ. — Санкт-Петербург, 2006. — № 22. — С. 16-24.
© Ларченко В. Г. © Коваленко Е. В. © Маталкина Ю. А.
Рекомендована к печати к.т.н., доц. каф. РМПИ ДонГТУ Леоновым А. А., гл. маркшейдером шахты им. XIX съезда КПСС Трезневым Д. С.
Статья поступила в редакцию 30.09.19.
к.т.н. Ларченко В. Г., Коваленко О. В., Маталкша Ю. А. (ДонДТУ, м. Алчевськ, ЛНР) УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДИКИ РОЗРАХУНКУ ОЧ1КУВАНИХ ЗРУШЕНЬ I ДЕФОРМАЦ1Й ЗЕМНО1 ПОВЕРХН1 ПРИ ВИДОБУТКУ ВУГ1ЛЛЯ
Наведено скориговану методику розрахунку очтуваних зрушень i деформацт земног поверхм в головних перетинах мульди при видобутку вугтля тдземним способом.
Ключовi слова: розрахунок зрушень i деформацт земног поверхт, скоригована методика, тд-земна розробка вугтьних пластiв, граничт кути.
PhD in Engineering Larchenko V. G., Kovalenko E. V., Matalkina Yu. A. (DonSTU, Alchevsk, LPR)
IMPROVEMENT OF DESIGN PROCEDURE OF THE EXPECTED SHIFTS AND EARTH CRUST DEFORMATIONS DURING COAL MINING
The adjusted design procedure of the expected shifts and earth crust deformations during underground coal mining in the main sections of the trough is given.
Key words: calculation of shifts and earth crust deformations, adjusted procedure, underground coal seams mining, adjacent angles.
