CC BY
6
Conf. on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon) (Vladivostok). 2019. Inspec Access Number 19229305 DOI: 10.1109/FarEastCon.2019.8934076.
15. Assessment of the agroecological state of agricultural landscapes to increase their sustainability / V.L. Tatarintsev, L.M. Tatarintsev, F.K. Ermekov, Y.S. Lisovskaya // Sustainable development of mountain territories. 2022. Vol.14. No. 1. pp. 76-86. DOI: 10.21177/1998-4502-2022-14-1-76-86.
16. Balovtsev S.V., Skopintseva O.V., Kolikov K.S. Management of aerological risks in preparatory workings of coal mines // Sustainable development of mountain territories. 2022. Vol. 14. No. 1. pp. 107-116. DOI: 10.21177/1998-4502-2022-14-1-107-116.
17. Vasiliev P.V., Stas G.V., Smirnova E.V. Assessment of injury risk in mining // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2016. Issue. 2. pp. 45-58.
18. Balovtsev S. V., Skopintseva O. V. Assessment of the impact of reused workings on aerological risks in coal mines // GIAB. 2021. No. 2-1. pp. 40-53. DOI: 10.25018/02361493-2021-21-0-40-53.
УДК 622.83
ВЛИЯНИЕ КРАТНОСТИ ПОДРАБОТКИ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА ВЕЛИЧИНУ УГЛА СДВИЖЕНИЯ
С. Б. Кулибаба
Показано, что существующий метод определения границ опасного влияния подземных разработок на земной поверхности с помощью регламентируемых углов сдвижения является некорректным. Установлены вид и параметры зависимости изменения фактических углов сдвижения, определенных по критериям наклонов и относительных горизонтальных деформаций земной поверхности, от кратности ее подработки и угловых характеристик процесса сдвижения.
Ключевые слова: подработка земной поверхности, границы опасного влияния, углы сдвижения, установление зависимостей.
Актуальность исследования процесса сдвижения горных пород обусловлена постоянным изменением условий подземной разработки пластовых месторождений, что требует корректировки применяемых мер охраны подрабатываемых объектов земной поверхности и совершенствования методов расчета деформаций [1-3]. От надежности методов прогноза параметров деформационных процессов и оценки степени их проявления напрямую зависит эффективность и безопасность строительства и эксплуатации зданий и сооружений на подрабатываемых территориях [4-6].
Согласно действующим "Правилам охраны..." [7] для определения границ зоны опасного влияния подземных разработок приняты критические значения деформаций наклона, относительного горизонтального растяжения и кривизны земной поверхности. При разработке мер охраны подрабатываемых объектов, в частности, при построении предохранительных целиков, эти границы определяются углами сдвижения, под которыми по-
нимаются внешние относительно выработанного пространства углы, образованные на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды сдвижения (далее - мульда) при полной подработке горизонтальными линиями и линиями, последовательно проведенными в коренных породах, мезозойских отложениях и наносах, соединяющими границу горной выработки с границей зоны опасного влияния на земной поверхности. Таким образом, предполагается, что линии, проведенные от границ очистной выработки под этими углами, пересекут земную поверхность в точках, где ожидаются указанные выше критические деформации.
Ранее уже отмечалось, что в существующих методах расчета сдвижений и деформаций земной поверхности положения точек с критическими деформациями и определяемым по углам сдвижения не увязаны между собой [8]. Кроме того, ранее нами было показано, что при изменении условий подработки - увеличении ее глубины или уменьшении вынимаемой мощности пласта, - наблюдается увеличение погрешности определения местоположения точек земной поверхности с критическими деформациями путем построения углов сдвижения [9]. Вследствие этого применение углов сдвижения, регламентированных нормативно-методическим документом [7] (далее - нормативные углы сдвижения), для определения опасных зон на земной поверхности теряет смысл - фактические деформации земной поверхности, соответствующие критическими значениями, смещаются к центру мульды. Несоответствие данных методов определения границ опасной зоны приводит к некорректной оценке степени воздействия горных работ на подрабатываемые объекты.
На вертикальном разрезе (рис. 1) показаны графики ожидаемых значений двух из приведенных выше деформаций земной поверхности, а именно наклонов г и относительных горизонтальных растяжений в, в условиях ее полной подработки очистной выработкой угольного пласта метровой мощности для двух глубин - 100 м и 200 м. Согласно методике [7] в обеих полумульдах ЕЕ и ЫЫ с длинами соответственно £з-100 и £3-200, построенных с помощью угла полных сдвижений и граничного угла 50, граница опасного влияния, определенная по нормативному углу сдвижения 5, для каждого из рассматриваемых случаев будет находиться соответственно в точках А и В, тогда как положение этой же границы, определенное с помощью ожидаемых критических значений деформаций, значения которых составляют для наклонов 4,0х10-3, а для относительного горизонтального растяжения 2,0х10-3, будет находиться в следующих точках (см. рис. 1):
- при глубине разработки Н, равной 100 м, - в точке Аг (по наклонам), и в точке Ав (по относительным горизонтальным деформациям);
- при глубине разработки Н, равной 200 м, - в точке В[ (по наклонам), и в точке В8 (по относительным горизонтальным деформациям).
Рис. 1. Графики ожидаемых наклонов (I) и относительных горизонтальных деформаций (е) земной поверхности на вертикальном
разрезе по простиранию пласта
Анализируя взаимное расположение этих точек, можно прийти к следующим выводам. Во-первых, имеет место смещение всех точек, полученных по критическим деформациям земной поверхности, внутрь мульды относительно точек А и В; во-вторых, с увеличением глубины разработки, величина этого смещения возрастает; в-третьих, точки А; и В,, определяющие границу опасного влияния по критерию наклонов, находятся ближе к середине мульды, чем точки Ае и б8, определенные по критерию горизонтальных деформаций. Таким образом, можно заключить, что охрана объектов на земной поверхности целиками, построенными по нормативным уг-
лам сдвижения, в современных условиях осуществляется с большим запасом, при котором часть полезных ископаемых неоправданно остается в недрах. Очевидно, что с увеличением глубины разработки значения фактических углов сдвижения возрастают, при определенных условиях даже превышая 90°.
Рассмотрим подробнее распределение деформаций / и в в краевой части мульды по простиранию пласта, т. е., в интервале значений ее относительной координаты 2 от 0,6 до 1,0, в условиях полной подработки земной поверхности. Согласно [7] их значения определяют по формулам
г = ^'(х);
¿3 (1) е = 0,5а0 " (х), ¿3
где цт - максимальное оседание земной поверхности, м; Ь3 - длина полумульды по простиранию пласта, м; а0 - относительное горизонтальное сдвижение; Б'(г) и Б"(£) - типовые функции распределение деформаций земной поверхности в полумульде в зависимости от относительной линейной координаты 2.
Максимальное оседание земной поверхности и длина полумульды по простиранию пласта в рассматриваемых условиях вычисляют по формулам
Пт = %т , (2)
где д0 - относительное максимальное оседание; т - вынимаемая мощность пласта, м;
¿3 = Н (^з + с^5о), (3)
где Н - глубина разработки пласта, м; и §0 - соответственно угол полных сдвижений и граничный угол, градус (см. рис. 1).
Функции Б'(г) и Б"(г), в основе которых лежит функция Гаусса, описывают характер распределения деформаций во всей полумульде. Они имеют достаточно сложный вид [10, 11], и в документе [7] даны в табличном виде. Поскольку, в аспекте рассматриваемого вопроса нас интересуют лишь краевая часть мульды, для удобства дальнейших преобразований опишем это распределение более простыми функциями (в интервале 2 = 0,6 ... 1,0):
8'(2) = Ь0 + еЬ12+Ъ1;
2 , (4) 8" (2) = с0 + ес12 +с2,
где Ъ и с - эмпирические коэффициенты, определяемые для каждого угольного бассейна.
Из формул (1) - (3) следует
8'(z) = i
-L H
Пт m%
(ctg^3 + ctg80);
H
8" (z) = г—^3— = 2e
0,5аоЛт m%a0
(ctg¥3 + ctg80) >
(5)
где i и в - деформации соответственно наклонов и относительных горизонтальных деформаций земной поверхности.
Обратим внимание на то, что отношение глубины разработки пласта к его вынимаемой мощности H/m представляет собой не что иное, как кратность подработки K. Тогда, приравняв между собой правые части выражений (4) и (5), и подставив в них вместо текущих величин деформаций i и в их указанные выше критические значения, принятые для определения границ зоны опасного влияния, получим:
K
b0 + ebz+b2 = i0 - ( ctg¥3 + ctg§0 ); 40
c0
2 — + eCl z +C2 = 2г0— (ctg¥3 + ctgS0),
(6)
q0a0
где ¡0 = 4,0х10-3 и 8о = 2,0х10-3 - критические значения соответственно наклонов и относительных горизонтальных деформаций земной поверхности, определяющие границу зоны опасного влияния горных работ согласно
[7].
Решая каждое из уравнений (6) относительно параметра 2, получим формулы, позволяющие вычислить его значения для условий конкретного месторождения при заданной кратности подработки земной поверхности:
0,004К (^Уз + с^50) - ь0
ln
z(i) =
40
- b
b
ln
z(8) =
0,004— q0a0
(ctg^3 + ctgÖ0)- c0
(7)
c2
C1
Так, для условий Кузбасса (qo = 0,7; = 50°; 5q = 70°; ao = 0,25)
формулы (7) примут вид:
z(i) = z(8) =
ln(0,00687K - b0) - b2 b1 ; |ln(0,0275K - c0) - c2 C1 '
<
<
<
Зная относительные координаты 2 точки с критическими значениями деформаций, можно определить соответствующий ей фактический угол сдвижения по формуле (см. рис. 1)
с*ё5(/,в) = * (+ с^50) - С^3 • На рис. 2 показаны графики зависимости фактических углов сдвижения 5(г) и 5(8), определенных соответственно по критериям наклонов и относительных горизонтальных деформаций, от кратности подработки К, которая в условиях Кузбасса описывается формулами
[5(/) = 49,0° + 8,80 • 1п( К + 4,71);
<
5(8) = 21,2° +12,27 • 1п( К + 54,30).'
градус
8«
/
0 50 100 150 200 250 К
Рис. 2. Графики зависимости фактических углов сдвижения от кратности подработки в условиях Кузбасса
На графиках видны существенные отличия фактических углов сдвижения 5(г) и 5(8) по простиранию пласта, определяющие границы зоны опасного влияния подземных разработок на земной поверхности, от нормативного угла 5, равного в рассматриваемых условиях 80° [7]: во-первых, с увеличением кратности подработки значения фактических углов сдвижения возрастают, в связи с чем линии, соединяющие границы зоны опасного влияния подземных разработок с границами очистных выработок, становятся круче; во-вторых, графики зависимости углов 5() и 5(8) отличаются друг от друга - углы 5(г) имеют большие значения, чем углы 5(8) при других равных условиях.
Изменение фактических углов сдвижения в зависимости от кратности подработки точек земной поверхности 0\ и О2 продемонстрировано на вертикальном разрезе по простиранию пластов (рис. 3): по фактору наклонов (рис. 3, а) и по фактору относительных горизонтальных деформаций (рис. 3, б). Здесь кривыми и О2К232 соответственно для углов 5() и
5(8) ограничены допустимые области ведения очистных работ, в пластах исходя из критических значений /0 и 8о при той или иной кратности подра-
ботки К. Очевидно, что большинство фактических углов сдвижения 5^ и 5(8) круче нормативного угла 5, равного 80°, - углы 5(г) начинают превышать это значение уже при кратности подработки более 30 (точка Я\), а углы 5(8) - более 66 (точка Л2). Так, угол при кратности 60 равен 85,7°, а 120
угол 8г при кратности 120 - соответственно 84,6°.
а б
Рис. 3. Графики зависимости фактических углов сдвижения от кратности подработки в условиях Кузбасса
Таким образом, по итогам проведенных исследований можно сделать следующие выводы.
1. Положение границ зоны опасного влияния подземных разработок, где земная поверхность испытывает ожидаемые критические деформации, значения которых определены в [7], в большинстве случаев описывается принятыми нормативными углами сдвижения некорректно. В современных условиях подземной разработки угольных пластов предохранительные целики, построенные с помощью этих углов, имеют завышенные размеры.
2. Установлены вид и параметры зависимостей изменения фактических углов сдвижения, определенных по критериям наклонов и относительных горизонтальных деформаций земной поверхности, от кратности ее подработки и угловых характеристик процесса сдвижения земной поверхности.
В заключение следует отметить, что приведенные результаты справедливы лишь для случая неподработанной тощи горных пород при отработке одиночного горизонтально залегающего пласта. Однако, согласно [7], значения углов сдвижения при разработке свиты пластов, когда массив горных пород был ранее подработан, а также при негоризонтальном залегании пластов, так или иначе привязаны к рассмотренному случаю, и их определение путем перерасчета для не рассмотренных в этой статье условий не составит труда. Кроме того, следует подчеркнуть, что полученные зависимости актуальны для условий проведения горных работ выше безопасной глубины разработки, которая рассчитывается исходя из допустимых значений наклонов и горизонтальных деформаций для каждого подрабатываемого объекта.
Список литературы
1. Сарычев В. И., Васильев П. В. Обоснование отработки ограниченных запасов угольных пластов под охраняемыми объектами на поверхности // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2016. Вып. 1. С. 111-119.
2. Коряков А. Е., Копылов А. Б., Савин И. И. Применение метода конечных элементов при моделировании сдвижения элементов горного массива // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2017. Вып. 4. С. 344-354.
3. Иофис М.А., Кулешов В. М., Помельникова В. В. Геолого-маркшейдерское обеспечение безопасного освоения недр. М.: ИПКОН РАН, 2008. 308 с.
4. Метод оценки вертикальных сдвижений земной поверхности на подработанных территориях / В. И. Сарычев, В. П. Сафронов, Ю. В. Зайцев, А. В. Романюк // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2020. Вып. 4. С. 250-262.
5. Геомеханическое обеспечение строительства многофункционального центра в условиях мегаполиса / Д. Л. Негурица, Г. В. Алексеев, Е. А. Медведев, А. А. Терешин // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2021. Вып. 3. С. 286-296.
6. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. С.Петербург, ВНИМИ, 1998. 291 с.
7. Земисев В. Н. Расчеты деформаций горного массива. М.: Недра, 1973. 145 с.
8. Kulibaba S., Esina E. A new approach to the problem of protection of undermined objects on the earth's surface. E3S Web of Conferences. 3rd International Innovative Mining Symposium, IIMS 2018: Electronic edition. 2018.
9. Викторов С.Д., Иофис М. А., Гончаров С. А. Сдвижение и разрушение горных пород. М.: Наука, 2005. 277 с.
10. Механика сдвижения и разрушения горных пород / С. Д. Викторов, С. А. Гончаров, М. А. Иофис, В. М. Закалинский. М.: РАН. 360 с.
Кулибаба Сергей Борисович, д-р техн. наук, проф., вед. науч. сотр., kulihaha saipkonran. ru, Россия, Москва, Институт проблем комплексного освоения недр им. Н. В. Мельникова РАН
INFLUENCE OF THE MULTIPLICITY OF THE EARTH'S SURFACE UNDERMINING ON THE VALUE OF THE SUBSIDENCE ANGLE
S. B. Kulihaha
It is shown that the existing method for determining the boundaries of the hazardous impact of underground mining on the earth's surface using regulated subsidence angles is incorrect. The type and parameters of the dependence of changes in the actual subsidence angles, determined hy the criteria of inclinations and relative horizontal deformations of the earth's surface, on the multiplicity of its undermining and the angular characteristics of the displacement process are estahlished.
Key words: the undermining of earth's surface, houndaries of the hazardous impact, suhsidence angles, estahlishment of dependences.
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
Reference
1. Sarychev V. I., Vasiliev P. V. Justification of mining of limited reserves of coal seams under protected objects on the surface // Proceedings of Tula State University. Earth sciences. 2016. Issue 1. pp. 111-119.
2. Koryakov A. E., Kopylov A. B., Savin I. I. Application of the finite element method in modeling the movement of elements of a mountain massif // Proceedings of Tula State University. Earth sciences. 2017. Issue 4. pp. 344-354.
3. Iofis M.A., Kuleshov V. M., Pomelnikova V. V. Geological surveying support for safe development of the subsoil. Moscow: IPCON RAS, 2008. 308 p.
4. A method for assessing vertical movements of the Earth's surface in the underworked territories / V. I. Sarychev, V. P. Safronov, Yu. V. Zaitsev, A.V. Romanyuk // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2020. Issue 4. pp. 250-262.
5. Geomechanical support for the construction of a multifunctional center in a megalopolis / D. L. Neguritsa, G. V. Alekseev, E. A. Medvedev, A. A. Tereshin // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2021. Issue 3. pp. 286-296.
6. 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.
7. Zemisev V. N. Calculations of deformations of the mountain massif. M.: Nedra, 1973. 145 p.
8. Kulibaba S., Esina E. A new approach to the problem of protection of undermined objects on the earth's surface. E3S Web of Conferences. 3rd International Innovative Mining Symposium, IIMS 2018: Electronic edition. 2018.
9. Viktorov S.D., Iofis M. A., Goncharov S. A. Displacement and destruction of rocks. Moscow: Nauka, 2005. 277 p.
10. Mechanics of displacement and destruction of rocks / S. D. Viktorov, S. A. Goncharov, M. A. Iofis, V. M. Zakalinsky. M.: RAS. 019. 360 p.
УДК 622.274.36/44
СЛОЕВАЯ СИСТЕМА РАЗРАБОТКИ ПРИ ОСВОЕНИИ ГЛУБОКИХ ГОРИЗОНТОВ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
А. А. Неверов, А. О. Кудря, С. А. Неверов
Выполнены геомеханические исследования освоения слоевой нисходящей выемки с твердеющей закладкой выработанного пространства при отработке пологопа-дающих рудных залежей на больших глубинах. На основе многовариантного подхода параметризации системы разработки установлены безопасные характеристики технологии применительно к горно-геологическим условиям и особенностям месторождений, для которых типично преобладание тектонического поля напряжений. Даны рекомендации порядка ведения горных работ.
Ключевые слова: массив горных пород, тектоническое поле напряжений, система разработки, слой, закладка, численное моделирование, напряжения, прогноз, разрушение, устойчивость, безопасность.
Введение
Непрерывное понижение горизонта горных работ обусловливает в среднесрочной и долгосрочной перспективах широкое и повсеместное применение различных вариантов систем разработки с закладкой выработанного пространства. Сложные горно-геологические и геомеханические условия больших глубин диктуют приверженность рудников к выбору технологий, использующих поддержание очистных камер (слоев) путём их заполнения различными материалами - твердеющей, сыпучей, бутобетонной закладкой.
В настоящее время на действующих предприятиях распространение получили камерная и сплошная слоевая выемка с твердеющей закладкой, освоение которых безопасно во всех известных горнотехнических условиях эксплуатации месторождений. Этими системами разработки отрабатываются залежи практически любой мощности и угла падения, устойчивость рудо-породного массива изменяется от устойчивого до неустойчивого.
Достоинства геотехнологий с закладкой очистного пространства на больших глубинах бесспорны и весьма доказательны [1-5]. Сплошной порядок отработки позволяет эффективно управлять горным давлением и
