CC BY
8
5. Chernyaev A.V., Korotkov V. A., Nguyen V. T. Studies of the technological force of separation operations of multilayer materials // Izvestiya Tula State University. Technical sciences. 2021. No. 9. pp. 475-480.
6. Demin V. A., Larin S. N. Modern trends and prospects of development of technologies of metal processing by pressure in machine-building // High-tech technologies in mechanical engineering. 2021. No. 8(122). pp. 3-11.
7. Berezina K. A. Manufacture of asymmetric products by issuing // Proceedings of Tula State University. Technical sciences. 2022. No. 2. pp. 11-14.
8. Pasynkov A. A., Tregubov V. I., Hrychev I. S. Direct injection of a titanium pipe into a tool with a conical working profile // Proceedings of Tula State University. Technical sciences. 2022. No. 2. pp. 34-37.
9. Zhernosek, V. N. Analysis of stresses and deformations in the process of combined extrusion of a metal billet // Izvestiya Tula State University. Technical sciences. 2021. No. 9. pp. 470-472.
10. Pasynkov A. A., Matasov I. I., Yakovlev B. S. Isothermal deformation of hull products with a thick bottom into a cylindrical matrix // Izvestiya Tula State University. Technical sciences. 2020. No. 5. pp. 457-461.
УДК 622.834 DOI 10.46689/2218-5194-2022-2-1-339-347
УСТРАНЕНИЕ НЕОДНОЗНАЧНОСТИ В ОПРЕДЕЛЕНИИ ГОРИЗОНТА ПОЛНОЙ ПОДРАБОТКИ НАД ОЧИСТНОЙ ВЫРАБОТКОЙ
С. Б. Кулибаба, Е. Н. Есина
На основании опыта применения методики расчета деформаций земной поверхности, применяемой в РФ, выявлен двузначный подход к понятию "полная подработка". В одном случае ее наличие определяют с помощью отношения размера выработанного пространства к глубине подработки, в другом - посредством углов полных сдвижений, причем на практике эти два способа дают отличающиеся друг от друга результаты. Такая неоднозначность может вызвать погрешности в оценке степени воздействия горных работ на состояние подрабатываемых объектов. На основе оценки точности обоих применяемых параметров обоснован метод устранения этой неоднозначности путем коррекции углов полных сдвижений.
Ключевые слова: сдвижение горных пород, полная подработка, прогноз, неоднозначность, метод устранения ошибки.
Требование комплексности освоения георесурсов, обеспечения эффективности и безопасности ведения горных работ предопределяет необходимость изыскания инновационных геотехнических решений, обоснования методов прогноза и контроля за развитием деформационных процессов как на земной поверхности, так и в толще массива горных пород [1 - 3]. Изменение условий подземной разработки пластовых месторождений полезных ископаемых требует постоянного совершенствования применяемых методов прогноза сдвижения горных пород и земной поверхно-
сти для повышения их точности с целью снижения степени негативного влияния горных выработок на подрабатываемые объекты [4-7].
К одному из важнейших параметров, используемых при расчетах сдвижения горных пород, относится степень подработанности земной поверхности, определяемая соотношением размера выработанного пространства в разрабатываемом пласте и средней глубины разработки. В зависимости от этого соотношения подработка земной поверхности может быть полной и неполной. Признаками полной подработки является стабилизация максимального оседания земной поверхности при дальнейшем увеличении выработанного пространства, а также наличие плоского дна в мульде сдвижения. При неполной подработке плоское дно мульды отсутствует, а увеличение размеров выработанного пространства приводит к увеличению максимального оседания. Таким образом, весь подработанный горный массив над очистной выработкой в общем случае можно условно разделить на две расположенных друг над другом области, в нижней из которых полная подработка слоев имеется, а в верхней - отсутствует. Разделяющая эти области граница представляет собой горизонт полной подработки, положение которого на каждом из главных сечений мульды сдвижения определяется критической глубиной Н0, при которой неполная подработка переходит в полную при других равных условиях.
В научной и нормативно-методической литературе существует два способа определения глубины Но, в одном из которых используется коэффициент подработанности - отношение фактического размера выработанного пространства к минимальному размеру, при котором наступает полная подработка земной поверхности [8] (способ I); во втором - углы полных сдвижений [9] (способ II). Условимся обозначать величину Н0, рассчитанную первым и вторым способами, соответственно Н0(1) и Н0(щ.
Параметр степени подработанности при расчетах определяет величину максимального оседания и конфигурацию типовых кривых мульды сдвижения, которые являются основой для прогнозирования всех без исключения сдвижений и деформаций подрабатываемого горного массива. В действующих Правилах охраны [10] степень подработанности характеризуется коэффициентом N который зависит от отношения размера выработанного пространства В в каждом из двух главных сечений мульды сдвижения к средней глубине разработки Н:
( — ^
N = / - . (1)
V Н )
При уменьшении глубины Н до критического значения Н0 при заданном размере очистной выработки В коэффициент N принимает значение, равное единице, что и является условием полной подработки земной поверхности. Значение отношения К0 = —/Н0 в документе [10] определено для каждого угледобывающего региона России. Так, для Кузбасса зна-
чение Ко равно 1,6; для Донбасса 1,2; для Челябинского бассейна 1,1; для Воркутинского месторождения 1,4; и т.д. Зная значение этого коэффициента, величину Ио(Г) первым способом вычисляют по формуле
Э
Н
0( I)
К
(2)
0
Во втором способе для определения полной подработки используются углы полных сдвижений и у3, с помощью которых устанавливают выход на земную поверхность зоны полных сдвижений с образованием плоского дна мульды в каждом из главных ее сечений [9-11]. Величину Ио(Ц) в этом случае можно определить как
Н
0( II)
Э
бШ^ ) • -а)
81П(У1 + У 2 )
+ 0,5вт(а)
(3)
где О - длина очистной выработки в рассматриваемом главном сечении мульды сдвижения, м; Уз - углы полных сдвижений соответственно
со стороны падения, восстания и простирания пласта, градус; а - угол падения пласта, градус.
Проблема заключается в том, что на практике эти два способа определения одной и той же критической глубины И0, дают отличающиеся друг от друга результаты. На вертикальном разрезе вкрест простирания пласта (рис. 1) показана схема определения И0 этими способами.
Рис. 1. Схема определения величины Но (I, II) двумя способами
Иными словами, в массиве вместо одного появляются два расчетных горизонта полной подработки, между которыми существует некий условный слой толщиной АН0 с не определенной однозначно степенью подработанности.
Для оценки толщины этого слоя рассчитаем двумя приведенными выше способами по методике [10] глубину Н0, обеспечивающую полную подработку земной поверхности в условиях Кузбасса при отработке лавы длиной 350 м горизонтально залегающего угольного пласта. В первом случае условие Ы1=1 выполняется при глубине Н0(т)=218,8 м (согласно таблице 7.17 [10] —Н = 1,6), в то время как во втором случае минимальная глубина полной подработки Н0{щ составит 208,6 м. Как видим, для рассматриваемых условий разница в определении параметра АНо = Но(/) - Но(ц) превышает 10 м. Причем эта разница не постоянна - она изменяется как в пределах одного бассейна при изменении размера очистной выработки В и угла падения пласта а, так и в условиях других бассейнов (например в условиях Донбасса она может достигать 50 м и более). Такая неоднозначность особенно чувствительно сказывается на точности расчетов сдвижения массива горных пород, вмещающего горные выработки [12, 13].
Проиллюстрируем на конкретном примере последствия неоднозначности определения положения горизонта полной подработки при прогнозе деформированного состояния подрабатываемого горного массива. На вертикальном разрезе вкрест простирания пластов (рис. 2) показана схема подработки гипотетического вертикального ствола в условиях шахты им. С. М. Кирова АО "СУЭК-Кузбасс" лавой 2460 пласта Болдырев-ский. Здесь же сплошной линией показан график ожидаемых оседаний горного массива по оси этого ствола, рассчитанный по методике [13] для следующих условий: средняя глубина разработки 490 м, угол падения пласта 5°, вынимаемая мощность 2,4 м, длина лавы 300 м, размер выемочного участка по простиранию 1340 м.
На участке графика прогнозных оседаний в интервале глубин 300310 м очевиден скачок в характере их изменения, вызванный описанной неоднозначностью в определении положения горизонта полной подработки. Скачкообразный характер кривых на этом участке будут иметь также и графики других ожидаемых деформаций массива, как вертикальных, так и горизонтальных (относительные деформации, уклоны, кривизна и др.), что неизбежно повлечет за собой ошибки при выборе мер охраны горных выработок от геомеханического воздействия.
Одним из выходов из сложившейся ситуации является приведение расчетных параметров, участвующих в определении положения горизонта полной подработки, в состояние, при котором описанная неоднозначность исчезнет, т.е., будет иметь место равенство Но( /) = Но( //). Такое приведение можно осуществить двумя способами - либо изменением значения ко-
эффициента К в формуле (2), либо изменением значений углов полных сдвижений и в формуле (3), введя в них соответствующие по-
правки Ду (см. рисунки 1 и 2). Поскольку определение расчетных значений указанных параметров производилось разными способами, оценим точность каждого из них по результатам исследований, проводимых в 1959-61 гг., которые затем и легли в основу методики [10].
0 0,8 1,6 Л, м
Рис. 2. Схема подработки вертикального ствола
В статье М. А. Иофиса [14] приведены результаты исследования зависимости величины максимального полного вектора сдвижения земной поверхности от отношения D/H при отработке одной изолированной лавы в условиях полной подработки на основе анализа фактических данных по 14 шахтам. Используя эти данные в качестве исходных, мы установили, что среднеквадратическая погрешность в определении глубины H0(j) в области наибольших оседаний земной поверхности при ее подработке составляет 7,7 м.
Для оценки точности определения углов полных сдвижений нами были проанализированы результаты исследований их изменения в зависимости от отношения D/H, проводимых в 1959 г. в Украинском филиале ВНИМИ. Было установлено, что стандартное отклонение при измерении углов ^i, и ^з, определяющих плоское дно мульды сдвижения земной поверхности в зоне полных сдвижений, составляет 4,0 - 4,5°. Такой разброс в значениях углов полных сдвижений, помимо ошибок измерения, объясняется, в частности, еще и тем, что, как было установлено нами ранее [12], в массиве горных пород границы зоны полных сдвижений над выра-
ботанным пространством имеют не прямолинейную, а криволинейную форму, в связи, с чем при разной удаленности от плоскости пласта значения углов у2 и у3 неодинаковы. Расчеты, проведенные по формуле (3), показывают, что указанный разброс в значениях углов полных сдвижений влечет за собой погрешность в определении глубины Н0(щ, достигающей 16 % длины очистной выработки, что при ее изменении в пределах 200300 м составляет 32-48 м.
Исходя из того, что погрешность определения глубины Н0(щ в разы превышает погрешность определения Н0(1) можно заключить, что неоднозначность в определении положения горизонта полной подработки возникает, в основном, по причине неточности ее расчета вторым способом, т. е. с помощью углов полных сдвижений по формуле (3). Поэтому наиболее эффективным с нашей точки зрения методом устранение этой неоднозначности является корректировка нормативных значений этих углов таким образом, чтобы вершина зоны полных сдвижений переместилась из точки А2, определенной способом II, в точку А1 на горизонте полной подработки, вычисленной способом I (см. рис. 1). При этом новые измененные значения этих углов уД Уз' определятся по формулам
= агС^
у 2' = агС^
2 Ко1 + вш(а) соБ(а) - 2К-1^(0)
2К-1 - Бт(а) соБ(а) + 2 К-1^(0)
а;
+ а;.
(4)
-1
Уз' = arctg (2К о
Сопоставление измененных углов у1', у2', у3' с табличными [10], проведенное для условий Донбасса и Кузбасса, показывает, что их разность Ау составляет в среднем 1...3°, что не превышает величины стандартного отклонения при измерении углов полных сдвижений в натурных условиях.
На рис. 2 пунктирной линией показан график ожидаемых оседаний горного массива по оси ствола, рассчитанный с применением предлагаемых изменений, который подтверждает их эффективность при устранении неоднозначности в определении горизонта полной подработки.
Выводы
1. Опыт применения методики расчета сдвижений и деформаций земной поверхности, регламентированной действующим нормативно-методическим документом [10], позволил выявить неоднозначность в
V
определении двумя способами положения горизонта полной подработки над очистной выработкой, в первом из которых используется коэффициент подработанности, а во втором - углы полных сдвижений.
2. Показано, что отсутствие однозначного определения горизонта полной подработки является источником ошибок прогноза сдвижений и деформаций горного массива, которые могут повлечь за собой негативные последствия для подрабатываемых объектов вследствие некорректного выбора мер охраны.
3. На основе оценки точности каждого из двух способов расчета положения горизонта полной подработки обоснован метод устранения выявленной неоднозначности посредством корректировки углов полных сдвижений, а также предложены формулы для их вычисления.
Список литературы
1. Трубецкой К.Н. Развитие ресурсосберегающих и ресурсовоспро-изводящих геотехнологий комплексного освоения месторождений полезных ископаемых. М.: ИПКОН РАН. 2014. 196 с.
2. Каплунов Д.Р., Юков В.А. Состояние и перспективы развития некоторых отраслей горнопромышленного комплекса России // Маркшейдерский вестник. 2020. № 2 (135). С. 6-16.
3. Геомеханические и аэрогазодинамические последствия подработки территорий горных отводов шахт Восточного Донбасса / Н.М. Качу-рин, Г.В. Стась, Т.В. Корчагина, М.В. Змеев // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2017. Вып.1. С. 170-181.
4. Кучин А.С. Сдвижение массива горных пород в условиях западного Донбасса // Горный вестник. 2012. Т. 1. № 95-1 (1). С. 194-198.
5. Проблемные вопросы сдвижения горных пород / М.Г. Мустафин, С.Н Зеленцов., Е.И. Кузнецова, А.А. Рожко / Записки Горного института. 2010. Т. 185. С. 227-230.
6. Сашурин А.Д., Панжин А.А. Современные проблемы и задачи геомеханики // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2020. № 3-1. С. 188-198.
7. Комплексное освоение угольных и техногенных месторождений Подмосковного угольного бассейна / Д.Р. Каплунов, Н.М. Качурин, Г.В. Фридлендер, М.П. Ганин // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2019. Вып. 4. С. 113-123.
8. Горное дело: Терминологический словарь / под научн. ред. акад. РАН К.Н. Трубецкого, чл.-корр. РАН Д.Р. Каплунова. М.: Горная книга, 2016. 635 с.
9. Сдвижение горных пород при подземной разработке угольных и сланцевых месторождений / А.Г. Акимов [и др.]. М.: Недра, 1970. 224 с.
10. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях // С.-Петербург, ВНИМИ, 1998. 291 с.
11. Механика сдвижения и разрушения горных пород / С.Д. Викторов, С.А. Гончаров, М.А. Иофис, В.М. Закалинский. М.: РАН, 2019. 360 с.
12. Кулибаба С. Б. Положение границ зоны полных сдвижений в массиве над выработанным пространством // Маркшейдерия и недропользование. 2018. № 4 (96). С. 31-33.
13. Кулибаба С.Б. Основные положения методики расчета вертикальных сдвижений и деформаций подрабатываемого горного массива // Маркшейдерия и недропользование. 2019. № 5 (103). С. 42-45.
14. Иофис М. А. Предрасчет наибольших оседаний земной поверхности // Сборник трудов по вопросам исследования горного давления и сдвижения горных пород. Л.: ВНИМИ. 1961. № 43. С. 105-111.
Кулибаба Сергей Борисович, д-р техн. наук, проф., вед. науч. сотрудник, kulihaha saipkonran. ru, Россия, Москва, Институт проблем комплексного освоения недр им. Н. В. Мельникова РАН,
Есина Екатерина Николаевна, канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник, [email protected], Россия, Москва, Институт проблем комплексного освоения недр им. Н. В. Мельникова РАН
ELIMINATION OF AMBIGUITY IN DETERMINING THE HORIZON OF FULL UNDERWORKING OVER A STOPE
S. B. Kulihaha, E. N. Esina
Based on the experience of applying the methodology for calculating the deformations of the earth's surface, used in the Russian Federation, a two-valued approach to the concept of "full underworking" was revealed. In one case, its presence is determined using the ratio of the size of the worked-out space to the depth of underworking, in another - hy the angles offull suhsidence, and in practice these two options offer different results from each other. Such amhiguity can cause errors in assessing the degree of negative influence of mining operations upon the underworked facilities. Based on the evaluation of the accuracy of hoth parameters used, a method of eliminating this amhiguity hy correcting the angles of full suhsidence is justified.
Key words: rocks suhsidence, complete underworking, forecast, amhiguity, error elimination method.
Kulihaha Sergey Borisovich, doctor of technical sciences, professor, leading researcher, kulihaha sa ipkonran.ru, Russia, Moscow, Institute of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources Russian Academy of Sciences,
Esina Ekaterina Nikolayevna, candidate of technical sciences, senior researcher, [email protected] , Russia, Moscow, Institute of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources Russian Academy of Sciences
Reference
1. Trubetskoy K.N. Development of resource-saving and resource-producing ge-otechnologies of complex development of mineral deposits. M.: IPKON RAS. 2014. 196 p.
2. Kaplunov D.R., Yukov V.A. The state and prospects of development of some branches of the mining complex of Russia // Mark-shader Bulletin. 2020. No. 2 (135). pp. 616.
3. Geomechanical and aerogasodynamic consequences of mining the territories of the mining branches of the mines of Eastern Donbass / N.M. Kachurin, G.V. Stas, T.V. Korchagina, M.V. Zmeev // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2017. Issue 1. pp. 170-181.
4. Kuchin A.S. Shifting of the rock mass in the conditions of the western Donbass // Gorny Vestnik. 2012. Vol. 1. No. 95-1 (1). pp. 194-198.
5. Problematic issues of rock movement / M.G. Mustafin, S.N. Zelentsov., E.I. Kuz-netsova, A.A. Rozhko / Notes of the Mining Institute. 2010. vol. 185. pp. 227-230.
6. Sashurin A.D., Panzhin A.A. Modern problems and tasks of geomechanics // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2020. No. 3-1. pp. 188-198.
7. Complex development of coal and technogenic deposits of the Moscow coal basin / D.R. Kaplunov, N.M. Kachurin, G.V. Friedlander, M.P. Ganin // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2019. Issue 4. pp. 113-123.
8. Mining: Terminological Dictionary / Under scientific ed. acad. RAS K.N. Trubetskoy, corresponding member. RAS D.R. Kaplunova // M.: Mountain Book, 2016. 635 p.
9. Displacement of rocks during underground mining of coal and shale deposits / A G. Akimov [et al.] // Moscow: Nedra, 1970. 224 p.
10. Rules for the protection of structures and natural objects from the harmful effects of underground mining in coal deposits // St. Petersburg, VNIMI, 1998. 291 p.
11. Mechanics of displacement and destruction of rocks / S.D. Viktorov, S.A. Gon-charov, M.A. Iofis, V.M. Zakalinsky // Moscow: RAS, 2019. 360 p.
12. Kulibaba S. B. The position of the boundaries of the zone of complete shifts in the massif above the developed space // Surveying and subsoil use. 2018. No. 4 (96). pp. 3133.
13. Kulibaba S.B. The main provisions of the methodology for calculating vertical displacements and deformations of the mined mountain massif // Surveying and subsoil use. 2019. No. 5 (103). pp. 42-45.
14. Iofis M. A. Precalculation of the greatest subsidence of the Earth's surface // Collection of works on the study of rock pressure and rock movement. L.: VNIMI. 1961. No. 43. pp. 105-111.
