Зависимость максимальных оседаний земной поверхности от основных определяющих факторов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.837

к.т.н. Ларченко В. Г., Маталкина Ю. А. (Дон ГТУ, г. Алчевск, ЛНР)

ЗАВИСИМОСТЬ МАКСИМАЛЬНЫХ ОСЕДАНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ОТ ОСНОВНЫХ ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ФАКТОРОВ

Установлена зависимость максимальных оседаний земной поверхности от глубины подработки, размеров выработанного пространства и марок угля.

Ключевые слова: максимальные оседания земной поверхности, глубина подработки, размеры выработанного пространства, зависимость.

Проблема и ее связь с научными и практическими задачами.

Развитие горной науки, решение таких практических вопросов, как охрана вскрывающих, капитальных и подготовительных выработок, инженерных сооружений и природных объектов земной поверхности, выбор рациональных способов управления горным давлением, газодинамикой, водо-притоками при разработке свиты угольных пластов, требуют знаний параметров процесса сдвижения горных пород, что многократно отмечалось многими учеными, в том числе [1-4].

Наиболее достоверно определить параметры сдвижений и деформаций подработанной толщи горных пород можно только комплексными натурными систематическими наблюдениями, включающими наблюдения за глубинными реперами, заложенными в подрабатываемой толще горных пород, в горных выработках и на земной поверхности.

Но ввиду труднодоступности и большой трудоемкости натурные наблюдения в подрабатываемой толще пород являются редкими, единичными [5, 6]. С целью многократного снижения трудоемкости и повышения точности натурных наблюдений авторами разработана конструкция автоматизированной наблюдательной станции [7], но в связи с создавшейся ситуацией заложить её не представляется возможным.

С увеличением глубины горных работ все больше сооружений, коммуникаций и

природных объектов попадает в зону влияния очистных работ, что, в соответствии с действующими «Правилами охраны...» [8], обязывает маркшейдерскую службу шахт с привлечением специальных организаций решать вопрос выбора эффективных мер охраны подрабатываемых объектов.

Поэтому определение зависимости параметров сдвижений и деформаций земной поверхности от основных определяющих факторов является актуальной научной и практической задачей для угольной отрасли.

Постановка задачи.

Задача исследований - установить зависимости максимальных оседаний земной поверхности дт от глубины подземной разработки угольных пластов, ширины выработанного пространства и марок угля, диференцировать зависимость основных параметров сдвижений и деформаций горных пород от главных определяющих факторов.

Изложение материала и его результаты.

Известно [8, 9], что чем больше глубина очистных работ Н, тем меньше величины и скорость [10] сдвижений и деформаций земной поверхности, которые так же зависят от вынимаемой мощности пластов т [9, 11], ширины выработанного пространства D [12], угла падения пластов, крепости пород, литологии, степени нарушенно-сти покрывающей толщи, марки угля, способа управления кровлей.

С увеличением глубины подработки увеличиваются размеры мульды сдвиже-

Науки о земле

ния земной поверхности, вычисленные в соответствии с «Правилами охраны...» [8], продолжительность процесса сдвижения [10], а значит, все больше сооружений и коммуникаций попадает в зону влияния очистных работ.

Согласно «Инструкции.» [13] инструментальные наблюдения за сдвижением земной поверхности обязательны при подработке уникальных и водных объектов, железных дорог, дамб, плотин, подкрановых путей, сварных трубопроводов. Это большой объем работ для маркшейдерской службы шахт. А всегда ли необходимы маркшейдерские наблюдения? Какие сдвижения и деформации испытывают земная поверхность и подрабатываемые объекты на больших глубинах и при различной степени подработанности?

В действующих «Правилах.» [8] приведена методика расчета ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности при глубинах ее подработки до 1000 м. Но на ряде шахт очистные работы ведутся уже на значительно больших глубинах. Возникла практическая необходимость диференцировать влияние глубины подработки из многофакторной зависимости максимального оседания земной поверхности.

Решение этой задачи выполнялось методом натурных инструментальных наблюдений на земной поверхности и за глубинными реперами, заложенными в пробуренные с земной поверхности вертикальные скважины в главном сечении мульды на участках плоского дна [6,10-12] (рис.1, 2).

а - оседания глубинных реперов (1, 2) и земной поверхности (3); б - остаточные деформации после окончания процесса сдвижения; в - деформации толщи карбона (1) и четвертичных отложений (2) над движущимся очистным забоем (3)

Рисунок 1 Графики сдвижений и деформаций подработанной толщи пород по станции № 13

шахты «Степная»

Науки о земле

100

ц, мм

Н, м

Н, м

Рисунок 2 Максимальные оседания глубинных реперов по станции №12 шахта «Степная»

Таблица 1

Также использовался метод конечных элементов [14] (рис. 3) и расчет максимальных оседаний дт в соответствии с «Правилами охраны.» [8] в зависимости от глубины разработки Н в интервале 100-1500м и марок угля (относительной величины максимального оседания q0) при вынимаемой мощности пласта т=1 м, угле падения а=50, Dl=200 м, D2=1200 м (табл. 1, рис. 4).

Зависимость цт от Н

Рисунок 3 График зависимости максимального оседания ц0 от глубины Н (при условии полной подработки и т=1м)

Н, м Цт, мм

q0=0,75 q0=0,8 q0=0,85 q0=0,9

100 747 797 847 897

200 567 659 700 741

300 441 505 536 568

400 388 414 440 466

500 325 354 376 398

600 277 315 335 354

700 241 289 307 325

800 213 273 290 307

900 190 264 280 297

1000 169 262 278 295

1100 134 230 244 259

1200 102 202 215 227

1300 70 179 190 201

1400 31 159 169 179

1500 0 140 149 157

Науки о земле

— ъ 4

у

fZ у

Щ У

/ i 4 Щ -ff /

' ' 1 Ш Jlä

t ' 1 1 Ii

у /

! и i l

Ш

! L Ii

f ! n l

и f 1 $

1

n2 =

qo*m*cosa*Ni*N2, м,

(1)

где q0 - относительная величина максимального оседания [8]; N и N - коэффициенты, характеризующие степень подра-ботанности земной поверхности, по падению и по простиранию пласта соответственно.

N =.

0,9| D + ADn + ADe

н п е

(2)

0,9^H + ADnP +ADonP J , (3)

Н, ы

1 - при д0=0.75; 2 - при д0=0.8; 3 - при д0=0.85;

4 - при д0=0.9

Рисунок 4 График зависимости максимального оседания дт от глубины подработки Н, м

В районах залегания антрацитов q0=0,75, углей марок Ж, К, ОС, Т, и Д-Г при отношении мощности четвертичных отложений h к глубине Н менее или равном 0,3, q0=0,8. При МН>0,3 и марках угля Д-Г q0=0,85. В Западном Донбассе и при повторных подработках в Львовско-Волынском бассейне q0=0,9.

где, ДDп, ADв, ADпр, ADопр - поправки к относительной длине лавы за счет целика соответственно со стороны падения, восстания, простирания и обратной простиранию. Значения поправок приведены в «Правилах охраны.. .»[8].

Также, в соответствии с «Правилами охраны.» [8], выполнен расчет максимальных оседаний дт от глубины Н и размеров выработанного пространства по линии падения пласта D1=200 м, D1=300 м, D1=400 м (две спаренные лавы по 200 м), D1=500 м (две спаренные лавы по 250 м), D1=600 м (две лавы по 300 м) в постоянных горно-геологических условиях: вынимаемая мощность пласта т=1 м, угол падения а=50,способ управления кровлей -полное обрушение, размер выработанного пространства по простиранию D2=2000 м, q0=0,8 (табл. 2, рис. 5).

Таблица 2 Зависимость цт от (по методике [8])

im, мм, (q0 = 0,80, D2=2000м)

Н, м D1= D1= D1= D1= D1=

200 300 400 500 600

м м м м м

100 797 797 797 797 797

200 659 797 797 797 797

300 505 668 797 797 797

400 414 560 676 775 797

500 354 490 595 685 764

600 315 441 538 620 693

700 289 406 497 573 640

800 273 382 466 537 600

900 264 365 444 510 569

1000 262 355 428 490 545

1100 230 332 403 463 516

1200 202 312 380 438 490

1300 179 294 361 417 467

1400 159 277 343 398 446

1500 140 262 327 380 428

Науки о земле

о о

200

400

SD0

800

1000

L 200

1400

1600

* Г / /

/ г/ ■f

y*.

1 fw У j Ю {

f f с ! i J ¥ /

? 1 t j , 1 f t i

\ / ;

1 i f j ' i

г 1 I

f i j j 4 i f f i i

i i 1 1

1 Ii

f 1 T 1 i i i

Ьь ММ

Н.ы

1 - при Dl=200; 2 - при Dl=300; 3 - при Dl=400; 4 - при Dl=500; 5 - при Dl=600, D2=2000м, а=50,

Рисунок 5 - Графики зависимости максимального оседания цт от глубины подработки Н и

размеров выработанного пространства Dl

Этим мы исключаем влияние других определяющих факторов, что позволяет выделить зависимость максимально оседания дт от марок угля, глубины Н (рис. 4) и от длин лавы (или спаренных лав) (рис. 5).

Анализ рисунков 1-5 и таблиц (1, 2) позволяет сделать выводы: подтверждается общепринятое положение, что с увеличением глубины разработки уменьшаются относительные величины максимальных оседаний земной поверхности; на малых глубинах (до 200 м) зависимость дт от Н проявляется в большей степени (рис. 1, 2); зависимость дт от марок угля (степени метаморфизма пород) - незначительная (рис. 4); размеры выработанного пространства больше влияют на величину оседания зем-

ной поверхности при глубине подработки 500м (рис.5); наибольшее влияние в принятых горно-геологических условиях на дт оказывает глубина подработки Н.

Причем влияние Н на дт является приоритетным, однозначным, но не прямолинейным. При глубине 1000 м на рисунках 4 и 5 отмечается изменение количественной зависимости дт от Н, что свидетельствует о недостаточной изученности влияния Н на дт на больших глубинах. При длине лавы Б1=200 м на глубине 1500 м при добыче антрацита ^0=0,75) процесс сдвижения от одной лавы не достигает земной поверхности (дт=0) (табл. 1, рис. 4, кривая 1).

Наклоны, кривизна и горизонтальные деформации земной поверхности прямо пропорциональны дт и обратно пропорциональны длине полумульды L, которая, в соответствии с действующей методикой [8], пропорциональна Н. То есть, зависимость деформаций земной поверхности будет аналогична зависимости дт от Н.

Из рисунка 4 видно, что в более крепких породах ^0=0,75) максимальные оседания дт на всех глубинах меньше (кривая 1), чем в слабых породах при постоянных остальных факторах, что соответствует общепринятой теории. С увеличением глубины увеличивается и прочность пород, значит, должно более интенсивно уменьшаться относительное максимальное оседание, чего не скажешь по результатам анализа (табл. 1, рис. 4). Напрашивается вывод о недостаточной изученности влияния Н на дт и надежности действующей методики расчета [8] при больших глубинах разработки угольных пластов.

Выводы и направление дальнейших исследований.

На основании проведенных исследований установлена зависимость максимальных оседаний земной поверхности от глубины разработки угольных пластов, длин лав, марок угля. Результаты исследований указывают на необходимость качественных натурных наблюдений при подработке земной поверхности на больших глуби-

нах или мониторинга сдвижений и деформаций с помощью автоматизированной наблюдательной станции [7], необходимость совершенствования методики расчета ожидаемых сдвижений и деформаций [8] при глубинах более 1000 м.

В дальнейшем планируется выполнить расчет максимальных оседай дт для всех марок угля аналогично таблице 2 и рисун-

Библиографический список

ку 5 при различных длинах лав, подготовить номограмму дт и дать результаты в табличной форме, что будет полезно для маркшейдеров-производственников и студентов при планировании очистных работ под сооружениями и коммуникациями земной поверхности.

1. Авершин, С. Г. Некоторые задачи теории сдвижения горных пород под влиянием подземных разработок [Текст] / С. Г. Авершин // Сдвижение горных пород. — Ленинград : ВНИМИ, 1963. — С. 9-19.

2. Акимов, А. Г. Сдвижение горных пород при подземной разработке угольных и сланцевых месторождений [Текст] /А. Г. Акимов, В. Н. Земисев. — М. : Недра, 1970. — 224 с.

3. Земисев, В. Н. Расчеты деформаций горного массива [Текст] / В. Н. Земисев. — М. : Не-дра,1973. —144 с.

4. Кулибаба, С. Б. Прогноз сдвижений и деформаций подрабатываемого породного массива [Текст] / С. Б. Кулибаба // Уголь Украины. — 2000. — № 1. — С. 41-43.

5. Канлыбаева, Ж. М. Метод наблюдения за сдвижением горных пород в толще массива с помощью радиоактивных изотопов [Текст] /Ж. М. Канлыбаева, Ф. И. Клиновицкий, М. К. Сар-сенов. — Алма-Ата : Наука,1973. — 163с.

6. Ларченко, В. Г. Сдвижение и деформации подработанной толщи горных пород [Текст] / В. Г. Ларченко //Изв. вузов: Горный Журнал. — 1977. — № 10. — С. 36-39.

7. Ларченко, В. Г. Автоматическая наблюдательная станция для мониторинга сдвижений и деформаций горных пород [Текст] /В. Г. Ларченко, О. М. Куценко, Ю. А. Маталкина // Сб. науч. трудов Дон ГТУ. — 2015. — Вып. 1 (44). — С. 49-55.

8. Правила тдробки буд1вель, споруд 7 природних об 'ект1в при видобувант вугыля тдземним способом [Текст] //М-во палива та енергетики Украгни. — Кигв, 2004. — 127 с.

9. Ушаков, И. Н. Маркшейдерское дело [Текст] : учебник для вузов, часть 2 / И. Н. Ушаков,

A. Н. Белоликов, В. Н. Земисев и др. — М. : Недра, 1989. — 437 с.

10. Ларченко, В. Г. Влияние глубины разработки на скорость и продолжительность процесса сдвижения горных пород в условиях Западного Донбасса [Текст] / В. Г. Ларченко // Добыча угля подземным способом. — М. : ЦНИЭНуголь, 1977. — № 12. — С. 46-48.

11. Ларченко, В. Г. Практические результаты исследований деформации земной поверхности при отработке свиты пологих угольных пластов [Текст] / В. Г. Ларченко //Матер1али м1-жнародног конференцп «Форум г1рниюв - 2009». — Днепропетровск : НГУ, 2009. — С. 222-230.

12. Ларченко, В. Г. Зависимость максимальных сдвижений и деформаций от ширины выработанного пространства [Текст] / В. Г. Ларченко, Е. В. Коваленко, Ю. А. Маталкина // Сб-к научных трудов ДонГТУ. — 2016. — Вып 3(46). — С. 30-35.

13. Маркшейдерск роботи на вугыьних шахтах та розр1зах [Текст]: 1нструкция /М. С. Коп-ланець та т. — Донецьк :ТОВ «А... », 2001. — 264 с.

14. Ларченко, В. Г. Определение зависимости параметров сдвижений и деформаций подработанной толи пород от определяющих факторов методом конечных элементов [Текст] /

B. Г. Ларченко, О. А. Черных //Вестник МАНЭБ. — Санкт-Петербург, 2006. — № 22. — С. 16-24.

© Ларченко В. Г.

© Маталкина Ю. А.

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 22.11.16.

к.т.н. Ларченко В. Г., Маталкша Ю. А. (ДонДТУ, м. Алчевськ ЛНР)

ЗАЛЕЖН1СТЬ МАКСИМАЛЬНОГО ОС1ДАННЯ ЗЕМНО1 ПОВЕРХН1 В1Д ОСНОВНИХ ВИЗНАЧАЛЬНИХ ЧИННИК1В

Встановлено залежмсть максимальних оадань земног поверхм eid глибини тдробки, розм1-pie виробленого простору i марок вугтля.

Ключовi слова: максимальм оадання земног поверхт, глибина тдробки, pозмipи виробленого простору, залежмсть.

PhD Larchenko V. G., Matalkina Yu. A. (DonSTU, Alchevsk, LPR)

DEPENDENCE OF MAXIMUM SURFACE SUBSIDENCE ON MAIN DETERMINING FACTORS

The dependence of the maximum Earth's surface subsidence has been determined on the depth of undermining, volume of worked-out area and coal brands.

Key words: maximum surface subsidence, undermining depth, volume of worked-out area.