CC BY
77
Г еотехнология
23
УДК 622. 834
С.В. Свирко, А.А. Ренев
ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ ОСЕДАНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ВКРЕСТ ПРОСТИРАНИЯ ЛАВ ПРИ ОТРАБОТКЕ ПОЛОГИХ И НАКЛОННЫХ ПЛАСТОВ КУЗБАССА С ВЫСОКИМИ СКОРОСТЯМИ ПОДВИГАНИЯ
ЗАБОЕВ
Как известно, разработка угольных пластов приводит к изменению напряженно-деформированного состояния массива горных пород, при этом сдвижения и деформации могут распространяться на значительные расстояния, вызывая повреждения зданий, сооружений, коммуникаций, объектов сельского хозяйства и т.д.
С вводом в эксплуатацию высокоскоростных очистных забоев вопросы оценки сдвижений и деформаций породного массива и земной поверхности под влиянием горных работ и установление зависимости их развития во времени приобретают особую актуальность.
Начиная с 2004 г., в рамках накопления экспериментального материала для развития теоретических представлений о динамике сдвижений и деформаций при отработке пологих и наклонных угольных пластов высокопроизводительными забоями в условиях Кузбасса Сибирским филиалом ВНИМИ на различных шахтах закладывались наблюдательные станции. Каждая из наблюдательных станций состояла из двух профильных линий грунтовых реперов, заложенных в направлениях простирания и вкрест простирания лав. В качестве реперов использовались металлические стержни, длиной 1,8м и диаметром 20-22мм, откованные на остриё. Частотные наблюдения, в которых один из авторов принимал непосредственное участие, проводились с периодичностью 1 раз в 2-е суток. Нивелировка и измерения длин между
реперами производились по допускам «Инструкции по наблюдениям...» [1].
Г орно-геологические условия закладок
наблюдательных станций приведены в табл. 1.
Накопленные инструментальные наблюдения дали возможность теоретических обобщений и исследований по установлению закономерностей формирования мульды сдвижений земной поверхности при отходе очистного забоя от монтажной камеры, установления зависимостей величин деформаций поверхности от скорости подвигания забоя и их изменения во времени и легли в основу работы А.С. Ягунова [2], в которой, в частности, рассматривается формирование динамической мульды сдвижений (микромульды) по простиранию пласта в направлении подвигания забоя. В данной статье рассматриваются закономерности формирования динамической микромульды вкрест простирания пласта (в поперечном направлении лавы), как продолжение обобщения полученного экспериментального материала и исследований А.С. Ягунова [2].
При отходе очистного забоя от монтажной камеры со скоростью (с) на поверхности будут формироваться динамические микромульды оседаний размером </зх (рис. 1).
Положениям забоя 1, 2, 3 на поверхности соответствуют длины микромульд С^Зх, d23x, d33x с максимальными оседаниями в точках Г, 2', 3'. Исследованиями установлено, что заметные осе-
Таблица 1 - Горно-геологические условия по скоростным наблюдательным станциям.
Параметры Шахта, лава, пласт
«Г рамотеинская», лава 631, пл.Сычевский «Котинская», лава 5205, пл.52 «Котинская», лава 5204, пл.52 Им. Кирова, лава 2452, пл.Болдыревский-24 Им. Кирова, лава 2446, пл.Болдыревский
Нср , м 227 166 230 314 250
Di, м 210 236 230 250 233
Д>, м 1785 2400 2410 >600 > 1000
/V, 0,75 0,93 0,78 0,69 0,75
т, м 3,5 4,6 4,5 2,35 2,42
а, град. 5 9 8,5 6 7
с, м/сут. 4,5-7,6 6,8-12,5 7л 1 3° о 6,9 5,7
Год наблюдений 2007 2007 2008 2008 2004
Выемочный комплекс FAZOC-18/37 DBT DBT JOY 4LS-20 -
24
С.В. Свирко, А.А. Ренев
Рис. 1 - Схема формирования микромульд оседаний земной поверхности при отходе очистного забоя от монтажной камеры на разрезе по простиранию.
дания земной поверхности наблюдаются при положении забоя D2X > 0,3Нср, а максимальное значение величины оседаний зафиксировано при D2x = 1,6Нср. При этом образуется мульда полных оседаний длиной Ьзо по простиранию, в которой условно выделим полумульду позади забоя Ьз„з и полумульду впереди забоя Ьзвз. При дальнейшем движении забоя полумульда Ьзт практически не изменяется, а полумульда Ьзвз движется со скоростью подвигания забоя, образуя «плоское дно».
Формирование мульды сдвижений земной поверхности в направлении вкрест простирания можно проследить при прохождении очистного забоя под профильной линией наблюдательной станции, расположенной в поперечном сечении лавы. На рис. 2а в качестве примера приведены результаты наблюдений прохождения лавы 5204 под профильной линией наблюдательной станции
на шахте «Котинская».
Обобщение результатов наблюдений по всем наблюдательным станциям производилось в относительных величинах, приведенных к интервалу [0; 1 ], с применением следующих методических подходов:
• в каждой профильной линии определялось максимальное оседание //шах. В единичных наблюдениях оседания каждого репера выражались в относительных величинах JL—;
О та\
• определялись длины полумульд по падению L\ и восстанию Ьг при полных сдвижениях земной поверхности. Полумульды делились на 10 равных частей каждая. В единичных наблюдениях в точках деления z= / / L\^ где
/ = 0; 0,1 -Ь\2-> 0,2 • L\i\ •••’А,2
определялись относительные оседания;
Рис. 2 - Микромульды оседаний земной поверхности на разрезе вкрест простирания, а) развитие оседаний вкрест простирания пласта при прохождении лавы 5204 под профильной линией наблюдательной станции на шахте «Котинская»; б) типовые распределения оседаний земной поверхности развивающейся мульды сдвижений в поперечном сечении лавы во времени.
Г еотехнология
25
• определялся период времени Га, в течение которого сформировались полумульды Гi,2 (время активного процесса сдвижений);
• за начало формирования динамической мульды сдвижений вкрест простирания принималась дата наблюдения, когда какой либо репер в поперечной профильной линии просел на величину 10 мм или более (начало отсчета периода времени Га);
• в периоды времени Г/ — t / Та , где
t = 0;0,1 • Та\ 0,2 • Га;...;Га путем интерполяции
единичных наблюдений и последующих усреднений по правилам статистики определялись оседания в точках полумульд Ti,2.
Результаты обобщения наблюдений по данной методике приведены на рис. 26, которые характеризуют процесс формирования динамической мульды сдвижений земной поверхности в поперечном сечении лавы при отработке пологих и наклонных пластов Кузбасса с высокими скоростями подвигания очистных забоев.
По результатам проведенных исследований установлено, что наблюдаемые максимальные оседания по профильным линиям на исследованных шахтах отличаются не более чем на 20% от максимальных оседаний, рассчитанных по методике «Правил охраны...» [3]. Поэтому максимальное оседание подрабатываемой земной поверхности одиночной лавой можно с достаточной точностью определять по формуле:
n™*=‘la-m-cosa-NrN2 (1)
где:
qo - относительное максимальное оседание. Для условий Кузбасса относительное максимальное оседание определяется по формуле:
<?„ = 0,7 + 0,25--^-;
40 Н
Нп - мощность повторно подрабатываемых пород по линии в, соединяющей точку максимального оседания земной поверхности с серединой очистной выработки, от которой производится расчет деформаций, м;
Н - мощность всей толщи по указанной ли-
нии в, для условий Кузбасса определяемая по формуле [3]:
Я = 8ш(9(?-0 ,5а)’М;
m - вынимаемая мощность пласта, м;
а - угол падения пласта, град.;
N/ и N2 - коэффициенты подработанности.
Оценка периода времени активной стадии процесса сдвижений подрабатываемой земной поверхности произведена в работе [2] и выражена зависимостью:
Та = 134,14 • (1 - 0,5Я,) • е~°-'i c, сут; (2) где N\ - степень подработанности массива горных пород,
с - скорость подвигания очистного забоя, м/сут.
Величина максимума оседаний микромульд зависит от положения забоя под профильной линией. Приняв за точку отсчета положение проекции профильной линии вкрест простирания пласта
на ось (точка 0), рассмотрим зависимость
НСР
изменения величины максимумов оседаний микромульд от положения забоя на этой оси, объединив все профильные линии в единую совокупность. Закономерность этих изменений показана на рис.За. Определена средняя из всех наблюдений (общей статистической совокупности). Среднеквадратическое отклонение усреднения, определяемое как квадратный корень из дисперсии случайной величины, составило 0,063.
Установлено, что сдвижения поверхности по профильной линии вкрест простирания пласта начинаются при подходе очистного забоя к ее проекции на расстояние D1X = 0,3Нср и достигают максимального значения при отходе линии забоя от проекции профильной линии на расстоя-ние D2X * Нср. Приняв за начало отсчета положение монтажной камеры и поместив начало сдвижений поверхности в главном сечении вкрест простирания пласта в точку D2X = 0,3НСР, получим закономерность изменения рассматриваемых оседаний в зависимости от положения очистного
Рис. 3 - Закономерность изменения величины максимумов оседания микромульд в главном сечении вкрест простирания пласта при движении очистного забоя от монтажной камеры.
26
С.В. Свирко, А.А. Ренев
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
2 0.022 0.019 0.015 0.011 8-10-3 з.з-ю-з з-ю-з 2.3-10-3 7-10-4 2-10^ 0
3 0.05 0.043 0.038 0.03 0.023 0.015 з.з- ю-з з-ю-з 2-10-3 7-10-4 0
4 0.094 0.084 0.076 0.066 0.05 0.032 0.015 7.6-10-3 4.5-10-3 1.2-10-3 0
5 0.192 0.173 0.16 0.138 0.105 0.065 0.028 0.015 0.01 2.2-10-3 0
6 0.383 0.353 0.33 0.283 0.218 0.127 0.053 0.025 0.017 4.8-10-3 0
7 0.66 0.622 0.593 0.53 0.423 0.24 0.097 0.042 0.024 8.7-10-3 0
8 0.83 0.793 0.767 0.702 0.58 0.347 0.14 0.058 0.037 0.012 0
9 0.913 0.878 0.85 0.788 0.67 0.43 0.193 0.077 0.047 0.015 0
10 0.973 0.943 0.917 0.86 0.733 0.503 0.26 0.1 0.055 0.02 0
11 1 0.973 0.937 0.887 0.773 0.543 0.307 0.115 0.065 0.027 0
12 0.97 0.94 0.907 0.853 0.747 0.523 0.3 0.118 0.067 0.026 0
13 0.835 0.805 0.772 0.72 0.635 0.45 0.252 0.107 0.06 0.023 0
14 0.617 0.583 0.56 0.513 0.435 0.343 0.183 0.097 0.057 0.02 0
15 0.447 0.418 0.398 0.362 0.3 0.227 0.138 0.08 0.048 0.016 0
16 0.303 0.287 0.275 0.245 0.2 0.16 0.107 0.06 0.036 0.012 0
17 0.198 0.185 0.177 0.16 0.132 0.1 0.077 0.043 0.026 7.8-10-3 0
18 0.122 0.114 0.108 0.096 0.082 0.063 0.047 0.027 0.014 5.2-10-3 0
19 0.068 0.063 0.058 0.051 0.043 0.032 0.023 0.014 6-ю-з 3.3-10-3 0
20 0.032 0.028 0.025 0.022 0.017 0.012 7.1-10-3 3.7-10-3 2-10-3 1-10-3 0
21 6-10-3 5.3-10-3 4.6-10-3 4-10-3 2.9-10-3 1.8-10-3 3-10-4 2-10-4 1-10-4 0 0
забоя (рис.36).
Кривая средних оседаний, определенная по всем наблюдениям, аппроксимирована выражением:
/(*) = 1,077 - 0,371 • arcctg{6,804 ■ * - 6,110) (3) где х = в интервале [0,3; 1,6]; дх) = JL_.
"С? Птах
Среднеквадратическое отклонение аппроксимации (3) составило 0,012.
Приведенное на рис. 26 развитие оседаний вкрест простирания пласта во времени активного процесса сдвижений земной поверхности при скоростном подвигании очистного забоя можно представить матрицей Мвкр, где / = 1, ..., 21 - номера деления микромульды полных оседаний в главном сечении вкрест простирания пласта на 20 частей; j = 1, ..., 10 - номера динамических микромульд, кратных времени активной стадии сдвижений 0,17ц; у'=1- номер микромульды, достигшей полных оседаний за период активной стадии про-
I / £, I / Lr,
цесса сдвижений Та.
По матрице Мвкр и выражению (2) можно моделировать распределение S(zy) оседаний поверхности в главном сечении вкрест простирания при
любом положении забоя х = ^2Х в интервале
НСР
[0,3; 1,б].
Например, при положении забоя D1X = 0,95Нср оседания поверхности в главном
сечении вкрест простирания пласта (рис. 4а) в аналитическом выражении имеют вид:
S(zy) = ^вкр!,\ ' /(0,95) (4)
Выражение (4) определяет распределение оседаний в главном сечении в относительных величинах.
Переход к натуральным величинам покажем на примере.
Пример. Пласт с углом падения 10° и вынимаемой мощностью Зм на средней глубине
Длина мульды вкрест простирания, м
Рис. 4. Пример расчета ожидаемых оседаний подрабатываемой земной поверхности вкрест простирания пласта при отходе очистного забоя от монтажной камеры на расстояние Dlx = 0,95НСР а) оседания в относительных величинах; б) оседания в натуральных величинах.
Г еотехнология
27
Нср = 200 м и со средней мощностью наносов
hH = 5 м первично отрабатывается на N-ои шахте Кузбасса механизированной лавой длиной по простиранию D2 = 2000 м и вкрест простирания Я,=150м. Оценить оседания подрабатываемой земной поверхности в главном сечении вкрест простирания при отходе очистного забоя от монтажной камеры на расстояние D1X = 190 (относительная величина составляет ^2Х = 0 95 )•
ИСР
Решение.
1. Определяем ожидаемое максимальное оседание земной поверхности при полной отработке лавы по формуле (1). Значения N\ и N2 определим по методике [3], которые для Кузбасса
будут равны А, = 0,67 и N2 = 1. Для условий Кузнецкого бассейна мощность толщи пород по линии в составляет:
Н =
я,
200
200
= 200,8 м.
sin(90° -0,5a) sin(85°) 0,996
При первичной подработке Нп = 0 . Тогда:
^7тах
0,7 + 0,25 Нп
н
• m-cosa • N{ • N2 =
0,7 + 0,25 —— • 3 • cosflO0)- 0,67 • 1 = 1,39
200,8j v ’
2. Определяем длины полумульд по падению L\ и восстанию Lj при неполной подработке земной поверхности вкрест простирания пласта:
Ц= hH ■ ctg</>0 + (НСР + 0,5 • D{ • sin а - hH) • ctg/30 +
+ 0,5 • Dl • cos a - HCP • ctgO L2=hH- ctg</>0 +(HCP- 0,5 • D, • since - hH) • ctgy0 +
+ 0,5 • Dx • cos a + HCP • ctgO
(5)
где ф0 , yo - граничные углы и в - угол максимальных оседаний согласно [3] для условий Кузбасса равны: ф0 = 45°, /?о = 66°, уо = 70°, в = 85°.
Подставив исходные данные в (4), получим Li=80m и Z,2=89m. Общая длина мульды вкрест простирания Ly=L\+L2=\69M.
3. Определяем точки деления полумульды по падению zyi=0; 8; 16;...; 80 и полумульды по восстанию zy2=88,9; 97,8; 116,7;...; 169, в которых будут найдены величины оседаний. Расстояние между точками деления в полумульде L\ равно 8м, в полумульде L2 8,9м.
4. По формуле (3) находим /(0,95) = 0,62 . С
учётом
siz>)=
7(2,.,. 2)
из выражения (4) находим
BKPi, 1 •
Результаты расчетов приведены на рис. 46.
Приведенные в статье методические положения могут быть использованы в качестве дополнения к «Правилам охраны ...» [3] для расчетов ожидаемых оседаний подрабатываемой одиночной лавой земной поверхности вкрест простирания пласта в зависимости от положения очистного забоя под охраняемыми объектами на поверхности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Инструкция по наблюдениям за сдвижением горных пород, земной поверхности и подрабатываемыми сооружениями на угольных и сланцевых месторождениях. - М.: Недра, 1989, 97с.
2. Лгунов А.С. Динамика деформаций в подрабатываемом горном массиве/Минэнерго РФ, НИИ горн, геомех. и маркшейд. дела - Межотраслевой научный центр ВНИМИ, Сибирский филиал. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2010. - 239 с.
3. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. - СПб, ВНИМИ, 1998, - 290 с.
Авторы статьи:
Свирко
Сергей Владимирович аспирант каф. разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом КузГТУ Email svirko@ngs.ru
Ренев
Алексей Агафангелович докт. техн. наук, проф. каф. разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом КузГТУ. Email:raa@, kuzstu.ru
