CC BY
1Науки о земле
УДК 622.83:622.023.23
к.т.н. Аверин Г. А., к.т.н. Ларченко В. Г., Корецкая Е. Г. (ДонГТУ, г.Алчевск, ЛНР, [email protected])
ВЛИЯНИЕ КРЕПКИХ ПОРОД НА МАКСИМАЛЬНЫЕ ОСЕДАНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ В УСЛОВИЯХ ШАХТЫ им. ФРУНЗЕ
Приведены результаты исследования максимальных оседаний земной поверхности с учетом чередования крепких пород, выраженные в процентном отношении к глубине ведения очистных работ, путем моделирования и натурных наблюдений подрабатываемой железной дороги.
Ключевые слова: математическое моделирование, метод конечных элементов, максимальные оседания земной поверхности, процентное содержание, крепкие породные слои.
Постановка проблемы. Прогноз сдвижения земной поверхности рассчитывается в соответствии с нормативным документом [1]. Данная методика не учитывает влияния крепких пород (песчаник, известняк и т. д.), залегающих в подрабатываемой толще. Основными исходными данными для этой методики являются: мощность вынимаемого пласта, отношение ширины выработанного пространства к глубине разработки, угол падения пласта, относительная величина максимального оседания, относительная величина максимального горизонтального сдвижения пород и др.
Решить эту проблему возможно, используя вычислительные программные комплексы, которые позволяют достичь высокой точности определения параметров сдвижения земной поверхности, вызванного ведением очистных работ при отработке тонких и средней мощности пологих угольных пластов [2]. При определении параметров сдвижений земной поверхности математическими моделями многие исследователи не учитывают слоистость, в том числе и чередование слабых и крепких слоев и прослойков, что оказывает существенное влияние на процесс и параметры сдвижения толщи горных пород над выработанным пространством [3].
Цель исследования - усовершенствовать прогноз максимальных оседаний зем-
ной поверхности с учетом крепких пород в подрабатываемой толще.
Для определения влияния крепких пород кровли в подработанной толще сопоставлены максимальные значения оседаний земной поверхности при различном отношении ширины выработанного пространства (р) к глубине разработки (Н). Максимальные значения получены тремя методами: путем нивелирования железной дороги - фактические; моделирования методом конечных элементов; вычисления по нормативной методике [1], вызванные работой 8-й западной лавы пласта h8 в горно-геологических условиях шахты им. Фрунзе ш/у «Ясиновское» ООО ДТЭК «Ровенькиантрацит».
При исследовании моделированием созданы три математические модели: первая максимально учитывает фактические горно-геологические и горнотехнические условия подрабатываемой толщи, в которой содержание крепких пород составляет 25%; вторая - породные слои аргиллита заменены на песчаники и известняки (100% крепких пород); третья -породные слои песчаника и известняка заменены на аргиллиты (0% крепких пород), с учетом угольных пластов и прослойков.
Вычисления проводились на плоских моделях с помощью программного вычислительного комплекса «Лира», реализующего метод конечных элементов. Процесс оседания земной поверхности моделиро -
ISSN 2077-1738. Сборник научных трудов ГОУВПО ЛНР «ДонГТУ» 2016. № 4 (47)
Науки о земле
Таблица 1
Физико-механические характеристики угля и вмещающих его пород
Порода Модуль упругости, МПа Коэффициент Пуассона Коэффициент сцепления, МПа Угол внутреннего трения, ...0
Аргиллит 2-104 0,2 5 30
Алевролит 2-104 0,2 8 35
Песчаник 2,5^04 0,2 8 35
Известняк 2,5^04 0,2 8 35
Угольный пласт 0,5^04 0,3 3,4 37
вался с учетом пошагового подвигания очистного забоя, шаг выемки - 10м. При этом поведение пород максимально приближено к упругопластическому деформированию. Модели учитывали увеличение объема разрушенных и обрушенных пород путем подстановок на место пошагово вынутых элементов новых элементов с прочностными свойствами, соответствующими обрушенным породам. Расчетная модель имеет размеры 3460 м по простиранию и 1200 м по глубине. Размеры конечных элементов назначались в зависимости от мощности угольных пластов, пропластков и вмещающих пород. Размер элемента в моделях по мощности составляет от 0,2 до 7,5 м. Размер элемен Для моделирования изменения свойств обрушенных во времени пород использован процессор «МОНТАЖ».
Пласт h8 сложного строения, средняя его мощность 1,4 м, угол падения на выемочном участке изменяется от 4° до 18°. Глубина лавы в среднем 950 м. Выемка антрацита проводилась механизированным комплексом 1КМТ-1,5. Скорость подвига-ния очистного забоя изменялась от 30 до 75 м/мес.
Фактические оседания земной поверхности определялись по данным наблюдений (геометрическое нивелирование) подработанной железной дороги, которые проводились во время работы 8 западной лавы (с октября 2000 г. по июнь 2002 г.). Расстояние между реперами составляло 30 м. Замеры проводили раз в месяц.
тов по простиранию - 5 м. Модели состоят из 162377 элементов. Тип конечных элементов - физически нелинейный, универсальный, прямоугольный конечный элемент (КЭ) плоской задачи (грунт). Критерий разрушения определялся теорией прочности Кулона-Мора для грунтов. Моделируемая подработанная толща пород была представлена чередующимися слоями различных типов пород, отличающимися между собой деформационными прочностными характеристиками, соответствующими стратиграфической колонке, полученной в результате бурения разведочных скважин. Физико-механические характеристики угля и вмещающих его пород приведены в таблице 1
Результаты максимальных оседаний земной поверхности, полученные в результате исследований, представлены в таблице 2.
Фактические и полученные моделированием максимальные оседания в условиях 8-й западной лавы пласта ^ шахты им. Фрунзе примерно равны. В графиках, построенных по данным таблицы 2 (рис. 1), максимальное отклонение составляет не более 14%. Соответственно, данные, полученные в результате моделирования первой модели (25% крепких пород, ломаная 3 рис. 1), в дальнейшем можно использовать как фактические. Расчетные максимальные значения превышают фактические в среднем в 1,1 раза.
Науки о земле
Таблица 2
Максимальные оседания земной поверхности, полученные различными методами
Отношение ширины выработанного пространства Б к глубине разработки Н Максимальные оседания, мм
Фактические Нормативные Полученные на моделях при содержании песчаника
0% 25% 100%
0.26 95 279 166 106 82
0.42 189 352 287 186 144
0.61 243 425 431 283 222
0.77 381 480 545 361 284
0.96 419 546 672 446 354
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9 D/H 1
50
150
250
350
450 мм 550
к ^ v > - Сч - ■ * .
V ч \ — >
\ X V N < \ "V \ "■ч \ S \ V ••ч * Ч
\ -ч. *
\ ^ \ v. ч \
■ —
4
5
1, 3, 5- моделируемые, соответственно, для крепких пород 100%, 25%, 0%; 2 - фактические;
4 - нормативные.
Рисунок 1 Зависимость максимальных оседаний земной поверхности от отношения ширины выработанного пространства Б к глубине разработки Н угольного пласта
Путем интерполяции зависимостей толще, получены зависимости максималь-
максимальных оседаний земной поверхно- ных оседаний при других процентных со-
сти от отношения ширины выработанного держаниях крепких пород, представлен-
пространства к глубине разработки по ных на рисунке 2. данным моделей, содержащих 0%, 25% и 100% крепких пород в подрабатываемой
Науки о земле
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0,8
0,9 D/H I
50.0
150.0
250.0
350.0
450.0 q.Mii 550,0
ч х\ ч • "ч Ч. ч " *
n N. ' v ч о » .
х , n ч ' ч у*
' • —
-2 ,3
„4 , 5 „ 6
1 - 65%; 2 - 45% ; 3 - 25%; 4 -15%; 5 - 5%; 6 - 0 %.
Рисунок 2 Зависимости максимальных оседаний земной поверхности от соотношения ширины выработанного пространства D к глубине Н при разном содержании крепких пород
в подработанной толще
Таблица 3
Поправочный коэффициент в максимальные оседания, вычисленные по методике [1], при различном процентном содержании песчаника в подработанной толще
D/Н Содержание крепких пород в земной толще, %
65% 55% 45% 35% 25% 15% 5%
0.26 3.0 2.9 2.8 2.6 2.6 2.1 1.8
0.42 2.2 2.1 2.0 1.9 1.9 1.6 1.3
0.61 1.7 1.6 1.6 1.5 1.5 1.2 1.1
0.77 1.5 1.5 1.4 1.3 1.3 1.1 1.0
0.96 1.4 1.3 1.3 1.2 1.2 1.1 1.0
На основании сравнения максимальных оседаний, полученных на моделях и рассчитаны по нормативному документу [1], определены поправочные коэффициенты, позволяющие учесть содержание крепких пород (табл. 3), которые можно ввести в «Правила подработки зданий, сооружений и водных объектов при отработке угля подземным способом» [1].
Выводы
При получении максимальных оседаний земной поверхности необходимо учиты-
вать крепкие породы в подрабатываемом массиве.
Математическое моделирование с помощью программы «ЛИРА» позволяет создать расчетные схемы для прогнозирования максимальных оседаний земной поверхности, с помощью которых учитывается литология подрабатываемых пород.
Проведенные исследования сдвижения земной поверхности методами натурных наблюдений и математическим моделированием позволили получить поправочные коэффициенты, учитывающие процентное
ISSN 2077-1738. Сборник научных трудов ГОУВПО ЛНР «ДонГТУ» 2016. № 4 (47)
Науки о земле
содержание крепких пород, залегающих в горно-геологических условиях близлежащих шахт ООО ДТЭК «Ровенькиантра-цит», при прогнозировании максимальных оседаний земной поверхности.
Библиографический список
По максимальным оседаниям в соответствии с «Правилами...» [1] можно вычислить величины сдвижений и деформаций земной поверхности в точках главных сечений мульды.
1. ГСТУ 101.00159226.001- 2003. Правила тдробки буЫвель, споруд i природных об'ектгв при видобувант вугтля тдземним способом [Текст]. — Кигв : Мтпаливенерго Украгни, 2004. — С. 127.
2. Аверин, Г. А. Прогнозирование максимальных оседаний земной поверхности при различном содержании крепких породных слоев подработанного массива [Текст] / Г. А. Аверин, В. Г Лар-ченко, Е. Г. Корецкая, О. Г. Доценко // Уголь Украины. — 2016. — № 8. — С. 4-7.
3. Аверин, Г. А. Влияние слоистости на оседание земной поверхности [Текст] / Г. А. Аверин, П. Н. Кирьязев, О. Г. Доценко // Уголь Украины. — 2010. — № 10. — С. 34-35.
© Аверин Г. А. © Ларченко В. Г. © Корецкая Е. Г.
Рекомендована к печати к.т.н., доц. каф. РМПИ ДонГТУ Леоновым А. А., гл. маркшейдером ш. «XIX съезда КПСС» Кияненко Н. А.
Статья поступила в редакцию 15.11.16.
к.т.н. Аверш Г. А., к.т.н. Ларченко В. Г., асс. Корецька О. Г. (ДонДТУ, м. Алчевськ, ЛНР) ВПЛИВ М1ЦНИХ ПОР1Д НА МАКСИМАЛЬН1 ОС1ДАННЯ ЗЕМНО1 ПОВЕРХ1 В УМОВАХ ШАХТИ iM. ФРУНЗЕ
Приведен результати до^дження максимальних оадань земног поверхш з урахуванням чер-гування мщних порiд, виражеш в процентному вiдношеннi до глибини ведення очисних робт, шляхом моделювання i натурних спостережень залiзницi, що тдробляеться.
Ключовi слова: математичне моделювання, метод ктцевих елементiв, максимальн оадання земног поверхт, процентний вмiст, мщш породш шари.
PhD Averin G. A., PhD Larchenko V. G., Koretskaia E. G. (DonSTU, Alchevsk, LPR) INFLUENCE OF HARD ROCKS ON MAXIMUM EARTH CRUST SUBSIDENCE IN THE CONDITIONS OF FRUNZE MINE
The research results of maximum earth crust subsidence are shown considering hard rock alternations presented in percentage ratio to a depth of coal-face working, by modelling and naturalistic observations for the railway undermined.
Key words: mathematical modeling, finite element method, maximum earth crust subsidence, percentage, hard rock layers.
