CC BY
1к.т.н. Кизияров О. Л., к.т.н. Доценко О. Г., к.т.н. Аверин Г. А., д.э.н. Гришко Н. В.
(ДонГТИ, г. Алчевск, ЛНР, [email protected])
УСТАНОВЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ СТАБИЛИЗАЦИИ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ НА ПОЧВУ ИЗВЛЕЧЕННОГО ПЛАСТА
В статье представлены результаты установления времени стабилизации горного давления на почву извлеченного пласта, полученные посредством анализа процесса оседания подработанной горными работами земной поверхности.
Ключевые слова: стабилизация горного давления, выработанное пространство, оседания земной поверхности, активный период оседаний.
ISSN 2077-1738. Сборник научных трудов ДонГТИ 2021. № 24 (67)
Науки о земле
УДК 622.834
Актуальной задачей горного производства на глубоких шахтах долгое время остается поддержание подготовительных выработок в нормальном эксплуатационном состоянии. Перспективные способы сохранения нормального эксплуатационного состояния выработок связаны с их проведением в разгруженных зонах, в том числе в породах выработанного пространства. Опыт шахт Донбасса, практикующих проведение выработок по обрушенным породам, свидетельствует о хорошем их состоянии. Однако для применения данного метода охраны требуется, чтобы обрушенные породы достаточно уплотнились и давление на почву извлеченного пласта стабилизировалось [1].
В работе [1] представлены результаты шахтных натурных замеров давления обрушенных пород на почву извлеченного пласта, взятые по данным динамометрических площадок, закладываемых в бутовые полосы вслед за проходом лавы. В разные моменты времени фиксировались показания вертикального давления породного массива. На основании полученных экспериментальных данных автор пришел к выводу, что на глубине разработки 500 м стабилизация горного давления на почву извлеченного пласта происходит при отходе лавы на расстояние 0,6 • L (где L — длина лавы, м) и длится не менее 8 месяцев.
В выработанном пространстве лавы давление на почву отработанного пласта создают породы, отслоившиеся от массива кровли и находящиеся внутри области подработки. После прохода лавы происходит посадка кровли непосредственной, а затем и основной. По мере вовлечения в процесс оседания вышележащих породных масс давление на почву пласта возрастает, а на земной поверхности формируется мульда сдвижений.
В работе [2] одновременно с измерением давления пород в выработанном пространстве, выполненном аналогично исследованиям [1], изучалось опускание земной поверхности над исследуемой лавой вдоль направления ее движения. Установлено, что стабилизация давления на почву извлеченного пласта происходит одновременно с завершением активного периода оседаний земной поверхности.
В отличие от наблюдений за проявлениями горного давления непосредственно в нижней части зоны полных сдвижений подработанного массива натурные наблюдения за вертикальными смещениями земной поверхности не вызывают особых методических затруднений. Следовательно, продолжительность восстановления горного давления на почву извлеченного пласта может быть установлена по результатам маркшейдерских наблюдений за оседанием подработанной земной поверхности.
Науки о земле
Цель работы — установить время стабилизации горного давления на почву извлеченного пласта через время активных оседаний земной поверхности.
Исходными данными для установления зависимости времени активных оседаний земной поверхности послужили результаты нивелирования 4-х участков железных дорог (табл. 1). В таблице 1 приняты следующие обозначения: т — мощность пласта; Н — глубина разработки; а — угол
Сведения о наблюдаемы
падения пласта; Lст — длина выемочного столба; 1Р — шаг установки реперов; N — количество реперов. Наблюдения характеризуются различными глубинами разработки, скоростями подвигания очистных работ и ориентировкой теодолитного хода относительно направления движения лавы.
Выкопировка из плана горных работ шахты им. М. В. Фрунзе по пласту ^ показана на рисунке 1.
Таблица 1
подработанных участках
Горно-геологические и горнотехнические условия Сведения о трассе нивелирования
m, м H, м а, град Lct, м расположение трассы по отношению к направлению отработки выемочного столба lp, м Np Маркировка реперов
8 западная лава шахты им. М. В. Фрунзе (пласт И8)
2,0 890 14 850 вдоль выемочного столба 100 9 P1, P2, ..., P9
Лава № 35 шахты им. М. В. Фрунзе (пласт Н8)
1,5 1030 1-2 830 под углом 17° к направлению подвигания лавы 100 2 R1 и R2
4 восточная лава шахты им. Х1Х съезда КПСС(пласт 1\)
1,3 540 6-10 900 одна часть ж/д полотна расположена вдоль столба, а другая уходит под углом 15° к линии простирания 30 8 С1, С2, ..., С8.
64 лава шахты им. Володарского (пласт И8)
1,23 1100 15 900 перпендикулярно 100 1 Vj
Рисунок 1Выкопировка из плана горных работ шахты им. М. В. Фрунзе по пласту И8 западной лавы № 8
Науки о земле
Отработка выемочного столба велась прямым ходом. Мульда формируется от разрезной печи (точка РП на рисунке 2). За начальные отметки реперов приняты замеры, проведенные до начала ведения добычных работ. Кривые 1-6 на рисунке 2 отражают фактические оседания земной поверхности, произошедшие к моменту проведения замеров, выполненных в период отработки выемочного столба. Местонахождение очистного забоя 8-й западной лавы по
отношению к подрабатываемому объекту показано в таблице 2. Строение пласта h8 — сложное, его мощность достигает 2 м. Угол падения пласта на площади выемочного участка колеблется от 14 до 21°. Длина лавы равна 310 м, а выемочного столба — 850 м. Средняя скорость подвигания очистного забоя, оснащенного комплексом КМТ в составе с комбайном 2К-52, достигала 45 м/мес. Глубина разработки — 890 м. Управление кровлей принято полным обрушением.
Рисунок 2 Графики фактических вертикальных оседаний земной поверхности п, подработанной западной лавой № 8 пласта ^ шахты им. М. В. Фрунзе
Местонахождение очистного забоя 8-й западной лавы по отношению к подрабатываемому объекту
Таблица 2
Этап обследования Дата Подвигание Проекция забоя на земную
объекта нивелирования забоя, м поверхность
До начала подработки 14.12.2000 0 на отметке РП (разрезная печь)
15.03.2001 141 под Р2
14.06.2001 417 между Р4 и Р5
Во время подработки 10.09.2001 550 под Р6
10.12.2001 670 между Р7 и Р8
10.03.2002 773 под Р8
14.06.2002 850 на границе столба (ГС)
14.09.2002 -
10.12.2002 -
После подработки 18.03.2003 - на границе столба (ГС)
13.06.2003 -
15.09.2003 -
Науки о земле
Анализируя оседания, происшедшие в период осуществления добычных работ, можно отметить прирост смещений по нивелируемым точкам позади лавы и незначительные оседания земной поверхности впереди нее. Оседания волнообразно движутся вслед за лавой. С ростом расстояния между проекцией очистного забоя и репером, оставшимся за ним, прирост смещений в нивелируемой точке между соседними датами замеров сокращается. При определенном отставании от лавы смещения практически прекращаются, что говорит о затухании процесса оседаний в рассматриваемой точке. Так, например, к окончанию работы 8-й лавы (к 12.06.2002) прирост смещений по реперам Р1, Р2, Р3 малозаметен и не превышает 0,01 м. Согласно [3], окончанием процесса сдвижения земной поверхности считают дату замеров, после которой суммарные оседания на протяжении 6 месяцев на превышают 0,03 м. Таким образом, к моменту отработки выемочного столба на участке Р1-Р3 процесс сдвижения земной поверхности практически завершился.
Замеры, проведенные после остановки лавы (14.09.2002 и 10.12.2002), показывают заметный прирост смещений по реперам Р4-Р9. На этом участке идет активный период процесса смещения земной поверхности, который спустя полгода также переходит в стадию затухания. Результаты последующих замеров, представленные кривыми 9-11 на рисунке 2, показывают весьма незначительный прирост смещений, так как их величина не достигает 0,03 м, что свидетельствует о прекращении процесса сдвижения вдоль всего подработанного участка.
Аналогичным образом были построены графики фактических оседаний по остальным трем подработанным объектам.
По результатам натурных замеров строились графические зависимости развития оседаний земной поверхности во времени для каждого замерного пункта в системе координат ^ц (время — оседания),
которые описывают постепенное нарастание смещений при подходе лавы к наблюдаемой точке, активную часть процесса после прохода очистного забоя и последующее затухание сдвижения земной поверхности (рис. 3, а). Для четкого и однозначного разделения стадий (начальной, активной и затухания) процесса сдвижения использована методика [4], согласно которой при постоянной скорости подвигания лавы оседания земной поверхности во времени описываются логистической функцией
V(t) = Vk ■
1 - exp (-ß ( t + tQ )2 )
, мм,(1)
где щ — конечное значение оседаний некоторой точки земной поверхности;
в1 — эмпирический коэффициент, определяемый по данным наблюдений;
^ — время, прошедшее от начала воздействия на репер до момента прохода створа лавы под ним.
Начало координат ^ = 0) соответствует времени подхода лавы под рассматриваемую точку. Влияние лавы на точку земной поверхности прослеживается еще до подхода лавы к ней за ^ суток. Кривая оседания (рис. 3, а) берет начало из точки с координатами 0) и возрастает до уровня конечных оседаний щ под углом наклона, зависящим от коэффициента вь Чем более пологая кривая, тем значение коэффициента меньше, и определяется величиной порядка 10-6. Чем круче кривая, тем больше величина коэффициента, которая на порядок выше (10-5). Параметры щ, в1, ^ зависимости (1) для каждого из рассматриваемых реперов устанавливались путем решения уравнений для трех точек.
Далее по зависимости (1) анализировались скорость развития процесса ускорение а{() и темп изменения ускорения (рывок) ёа({).
Скорость развития процесса является первой производной функции (1) по времени t
v(t) = 2 -щ + ^) • & • ехр • (t + to)2) .(2)
Науки о земле
Рисунок 3 Графическое представление развития оседаний земной поверхности в одной из наблюдаемых точек: а) кривая оседаний; б) скорость развития оседаний; в) ускорение оседаний; г) рывок ускорения
С началом воздействия лавы на земную поверхность скорость v(i) постепенно нарастает, достигает максимального значения и постепенно опускается до нуля. В момент достижения максимальной скорости происходит перегиб кривой оседаний (рис. 3, б).
Ускорение процесса оседаний характеризуется второй производной функции (1) и записывается в виде
a(t) = 2-щ • ß • exp(-ß •(t +10)2)
1 -2• ß •(t +10)2
(3)
Кривая ускорения оседаний для рассматриваемой точки показана на рисунке 3, в.
Анализ графика показывает, что ускорение максимально в начале процесса сдвижения, затем постепенно уменьшается, принимает нулевое значение в момент достижения максимальной скорости (95-й день), после чего переходит в отрицательную область и снова приближается к нулю.
Третья производная функции (1) демонстрирует скорость изменения ускорения (рис. 3, г)
8аЦ) = 4-щ • А2 •(i + io)х
х exp
(-ß •(t +10)2){-3 + 2• ß •(t +10)
(4)
Для определения длительности активного периода оседаний земной поверхно-
х
2
х
Науки о земле
сти удобно воспользоваться функцией (4). В качестве начала активного процесса сдвижения принимается максимальное отрицательное значение скорости изменения ускорения За(^, а окончание рассматриваемого процесса соответствует нулевому значению изменения ускорения.
Зависимости, подобные приведенным на рисунке 3, получены для каждого репера анализируемых замерных станций, а установленная длительность активного периода представлена в таблице 3, где, кроме того, указана глубина разработки (Н, м), средняя крепость пород кровли (/), вынимаемая мощность пласта (т, м), длина лавы ^, м) и среднемесячная скорость подвигания лавы (у, м/мес).
Для прогноза продолжительности активного периода оседаний подработанного массива предложена зависимость
*акт = Мх • В*, сут. (5)
Таблица 3
Результаты обработки экспериментальных данных
№ п/п Точка Пк, м ß1 t0, сут Активный период оседаний, сут Н, м f m, м v, м/мес L, м
начало окончание ^акт
1 Р1 0,252 1 • 10-5 37 135 345 210 890 6,3 2 45 310
2 Р2 0,4155 1 • 10-5 68 105 320 215 890 6,3 2 47 310
3 Р3 0,3565 110-5 76 90 315 225 890 6,3 2 61 310
4 Р4 0,433 7-10-6 175 30 285 255 890 6,3 2 61 310
5 Р5 0,372 7-10-6 175 30 285 255 890 6,3 2 61 310
6 Р6 0,397 7-10-6 175 30 285 255 890 6,3 2 52 310
7 Р7 0,312 7-10-6 175 30 285 255 890 6,3 2 51 310
8 Р8 0,219 7^10-6 175 30 285 255 890 6,3 2 51 310
9 Р9 0,143 110-5 140 30 240 210 890 6,3 2 27 310
10 R1 0,3365 110-5 79 90 300 210 1030 6,1 1,5 83 270
11 R2 0,309 110-5 108 75 285 210 1030 6,1 1,5 83 270
12 V1 0,39 8,5^ 10-6 130 45 295 250 1100 6,5 1,23 46 240
13 C1 0,37 2^10-5 120 0 155 155 560 5,8 1 31 170
14 C2 0,403 2^10-5 120 0 155 155 565 5,8 1 33 170
15 C3 0,41 2-10-5 120 0 155 155 570 5,8 1 34 170
16 C4 0,398 2^10-5 120 0 155 155 575 5,8 1 34 170
17 C5 0,369 2^10-5 120 0 155 155 580 5,8 1 34 170
18 C6 0,35 2,610-5 110 0 140 140 585 5,8 1 35 170
19 C7 0,308 2,7^ 10-5 100 0 135 135 590 5,8 1 36 170
20 C8 0,254 3,2^ 10-5 100 0 120 120 595 5,8 1 36 170
где х, * — параметры уравнения регресии;
М=Щ — интегральный коэффициент, учитывающий глубину разработки Н, ми среднюю крепость пород / формирующих свод обрушения;
В — параметр, учитывающий горнотехнические параметры работы лавы:
В = т • L • V, м3. (6)
Для нахождения параметров регрессии (5) использована программа Statistiсa, в результате итерации получены параметры эмпирической зависимости
1акт =4М • В0Д2, сут. (7)
Для зависимости (7) приняты граничные условия: 240 < Н < 1100 м; 4,95 </< 6,5; 1 < т < 2,3, м; 24 < V < 83, м/мес.; 78 < L < 310, м.
Поверхность отклика зависимости (7) представлена на рисунке 4.
Рисунок 4 Поверхность отклика зависимости (7)
Науки о земле
Индекс корреляции полученного уравнения регрессии равен 0,93, а индекс детерминации — 0,87. Уравнение регрессии хорошо приближает исходные данные, о чем свидетельствует относительная ошибка аппроксимации (9,12 %). Абсолютная ошибка составляет ±5 суток. Значимость параметров зависимости (7) проверена по ^критерию Стьюдента. Существенность уравнения регрессии в целом установлена по ^-критерию Фишера при уровне значимости а = 0,05.
Выводы. Длительность процесса сдвижения горных пород при их подработке — это важный параметр при решении многих задач геомеханики, в том числе связанных с обоснованием параметров проведения подготовительных выработок по обрушенным породам.
Оседание подработанного очистными работами массива и стабилизация горного давления в выработанном пространстве лавы взаимосвязаны между собой и имеют одинаковую продолжительность.
Библиографический список
Оседание земной поверхности происходит в три этапа:
- начальный этап, который характеризуется нарастанием смещений при подходе лавы к наблюдаемой точке;
- активный период, начало которого совпадает с моментом прохода очистного забоя под наблюдаемой точкой;
- стадия затухания процесса оседаний.
Продолжительность активных оседаний
земной поверхности iaкт зависит от глубины разработки (Н), крепости массива пород (/) и объема извлеченного угля за месяц (В) и может быть определена по эмпирической степенной зависимости (7) с относительной погрешностью 9,12 %, существенность которой подтверждается ,Р-критерием Фишера и теснотой связи между показателями R = 0,87.
Результаты проведенного исследования будут использованы при установлении параметров охраны выработок, располагаемых в обрушенных породах выработанного пространства.
1. Зборщик, М. П. Охрана выработок глубоких шахт в выработанном пространстве [Текст] / М. П. Зборщик. — К. : Техника, 1978. — 176 с.
Науки о земле
2. Гапанович, Л. Н. Исследование закономерностей проявления горного давления в выработанном пространстве при выемке угля слоями в Челябинском бассейне [Текст] / Л. Н. Гапанович, Ю. Г. Гайдуков, В. Н. Лаврухин // Уголь. — 1974. — № 2. — С. 13-18.
3. ДСТУ 101,00159226,001-2003. Правила тдробки буд1вель, споруд i природних об'ект1в при видобуванш вугтля тдземним способом [Текст] / Мтпаливенерго Украгни. — Введ. 2004-01-01.— Кигв, 2004. —128 с.
4. Гавриленко, Ю. Н. Прогнозирование сдвижений земной поверхности во времени [Текст] / Ю. Н. Гавриленко // Уголь Украины. — 2011. — № 6. — С. 45-49.
© Кизияров О. Л. © Доценко О. Г. © Аверин Г. А. © Гришко Н. В.
Рекомендована к печати к.т.н., доц. каф. РМПИ ДонГТИ Леоновым А. А., зам. гл. инженера по производству и перспективному развитию ПП «Ш/у „Луганское"»
ГУПЛНР«РТК„Востокуголь"» Чепурным Д. С.
Статья поступила в редакцию 04.10.2021.
PhD in Engineering Kiziyarov O. L., Dotsenko O. G., PhD in Engineering Averin G. A., Doctor of Economics Grishko N. V. (DonSTI, Alchevsk, LPR, dotcenkoo@mail. ru)
FIXING THE STABILIZATION TIME OF ROCK PRESSURE ON THE EXTRACTED BED BOTTOM
Article presents the results offixing the stabilization time of rock pressure on the extracted bed bottom obtained by analyzing the subsidence process of the undermined Earth's surface.
Key words: stabilization of rock pressure, worked-out area, Earth's surface subsidence, active period of subsidence.
