CC BY
2к.т.н. Ларченко В.Г., Коваленко Е.В., Маталкина Ю.А.
(Дон ГТУ, г. Алчевск, ЛНР)
ЗАВИСИМОСТЬ МАКСИМАЛЬНЫХ СДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ОТ ШИРИНЫ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА
По результатам натурных наблюдений в горно-геологических условиях шахты Западного Донбасса установлена зависимость максимальных сдвижений и деформаций земной поверхности от ширины выработанного пространства.
Ключевые слова: максимальные оседания, наклоны, горизонтальные сдвижения и деформации земной поверхности, натурные наблюдения, ширина выработанного пространства, зависимость.
/55ЛГ 2077-1738. Сборник научных трудов ДонГТУ 2016. № 3 (46) ГОРНЫЕ НАУКИ
УДК 622.837
Проблема и ее связь с научными и практическими задачами
Одной из основных задач маркшейдерской службы горных предприятий при подземной разработке месторождений полезных ископаемых является выбор оптимальных мер охраны подрабатываемых сооружений и коммуникаций земной поверхности, основой которого являются максимальные величины сдвижений и деформаций горных пород. Достоверно определить параметры сдвижений и деформаций земной поверхности можно только натурными инструментальными наблюдениями или автоматической наблюдательной станцией [1-4].
С увеличением глубины подработки распространяется область влияния очистных работ на земную поверхность, длины полумульд и профильных линий, общая продолжительность процесса сдвижения, что вызывает повышение трудоемкости и стоимости маркшейдерских инструментальных наблюдений.
Поэтому определение зависимости максимальных сдвижений и деформаций земной поверхности от размеров выработанного пространства является актуальной научной и практической задачей и соответствует тематике исследований кафедры маркшейдерии, геодезии и геологии Дон ГТУ.
Постановка задачи.
Задачей исследований является установление закономерности и зависимости
максимальных сдвижений и деформаций земной поверхности от размеров выработанного пространства над движущимся очистным забоем.
Изложение материала и его результаты.
Как результат многолетних исследований в "Правилах подработки..." [5] приведена методика расчета ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности, учитывающая коэффициентами подработанности N1 и N2 размеры выработанного пространства по падению и простиранию пласта после окончания процесса сдвижения. Закономерности распределения и величины максимальных сдвижений и деформаций земной поверхности в течение всей продолжительности процесса сдвижения в динамической полумульде изучены недостаточно, поэтому их исследования являются актуальными.
Проанализируем результаты частотных равноточных инструментальных наблюдений (невязка геометрического нивелирования при всех 44 наблюдениях на станции № 13 никогда не превышала ± 2 мм на 1 км хода, что в 5 раз меньше допустимой [6], а относительная погрешность линейных измерений меньше 1\ 10000, что соответствует требованиям [6]), выполненных одним из авторов, по наблюдательной станции №13 над лавой 604 пласта Сб шахты "Степная" ПО "Павлоградуголь" в следующих горногеологических условиях: длинна лавы
ГОРНЫЕ НАУКИ
Д2 = 184м; средняя глубина Н=112м; вынимаемая мощность пласта ш= 0,91м; управление кровлей - полное обрушение; средняя скорость подвигания очистного забоя У= 63м/мес.; мощность обводненных четвертичных отложений Ь= 47м; отношение длины лавы Д2 к средней глубине подработки Н составляет 1,64 (условие полной подработки); угол падения пласта 5°. В
—^ и ^ западный конвеерный
слабых породах Западного Донбасса наблюдательные станции 12 и 13 можно сравнить с "природными лабораториями", (рис. 1), где максимальная скорость оседаний грунтовых реперов земной поверхности достигала 66 мм/сут., а общая продолжительность процесса сдвижения по критерию наклонов составила около 3 месяцев.
• 20 Западный откаточный штрек пласта С0 • 20
• •
• О 60 100м .
Рисунок 1 - План наблюдательных станций № 12 и 13
ГОРНЫЕ НАУКИ
По результатам математической обработки наблюдений построены графики максимальных оседаний г)т, наклонов /т, горизонтальных сдвижений с;, деформаций сжатий -в и растяжений + в (рис. 2) в главном сечении мульды по профильной линии, расположенной перпендикулярно к линии очистного забоя по станции №13, отражающие зависимость перечисленных максимальных параметров от ширины выработанного пространства Д1 при постоянной длине лавы Д
ю э
При глубине разрезной печи 117 м процесс сдвижения достиг земной поверхности при отходе очистного забоя от целика на величину, равную 0,1 Д1/Н. С увеличением размера Д1 выработанного пространства максимальные оседания дш, горизонтальные сдвижения ^ и наклоны /т в сторону восстания пласта, горизонтальные деформации растяжений + в постоянно и однозначно увеличивались от нуля до максимальных значений (рис. 2).
А,/И
Рисунок 2 - Графики зависимости: максимальных оседаний (г|); наклонов (¿)/горизонтальных сдвижений (£); деформаций растяжений (+ е) и сжатий (- е) земной поверхности от размеров выработанного пространства Д1 над лавой № 604 шахты "Степная"
ГОРНЫЕ НАУКИ
При дальнейшем увеличении размеров выработанного пространства горизонтальные деформации сжатий и, аналогично, кривизна вогнутости на участке их концентрации уменьшаются более чем в 2 раза (рис. 2, кривая - в), поэтому без частотных наблюдений их суммирование долгое время оставалось незафиксированным. Аналогичные процессы установлены и по простиранию пласта при отношениях длины лавы (или спаренных лав) Д? к глубине подработки Н в интервале 0,6 0,7 как результат суммирования однозначных деформаций от двух образующихся полумульд: по простиранию пласта и обратном положительному направлению простирания пласта. В этих случаях уменьшение указанных суммарных деформаций происходит только при прохождении смежной лавы.
Опасных для сооружений деформаций первыми достигают сжатия (-2*10"3), затем наклоны (4*10~3) и, чуть позже, - растяжения (2*10"3, рис.2) [5].
В образовавшейся динамической полумульде процесс сдвижения синхронно перемещается подобно волне над движущимся очистным забоем (рис. 4), где каждая точка земной поверхности в главном сечении мульды движется по определенной траектории (рис. 5), но скорость сдвижений и деформаций Уо пропорциональна скорости подвигания очистного забоя С (рис. 6), а над разрезной печью увеличи-ваются горизонтальные сдвижения.
Исключение составляют горизонтальные деформации сжатий и, аналогично, кривизна вогнутости, которые при отношении Д1/Н в интервале (0,6 ^ 0,7) достигают максимальных значений как результат суммирования однозначных деформаций (рис. 3, а) в полумульде над разрезной печью (рис. 3, б) и образующейся в этот момент динамической полумульды (рис. 3, в).
Рисунок 3 - Схема сложения горизонтальных деформаций сжатий: а - при Д1/Н, равном (0,6 - 0,7) Н; б - в полумульде над разрезной печью; в - над образующейся динамической
полумульдой
Рисунок 4 - Кривые горизонтальных сдвижений земной поверхности по станции №13
ГОРНЫЕ НАУКИ
200 <00
юс 2ое зос
Н.м «
Рисунок 5 - Траектория полного вектора сдвижения грунтового репера № 36 станции № 13 над движущимся очистным забоем
Уо г*|*/еут.
Ао-
го.
к
п
25-у (-VI
Рисунок 6 - Гистограммы скорости подвигания очистного забоя (С) и максимальной скорости оседания земной поверхности У0 по станции № 13 шахты "Степная"
Увеличение наклонов и горизонтальных сдвижений после отношения Д1/Н более 1,2 практически замедляется, а при Д1/Н более 1,6 процесс сдвижения земной поверхности над разрезной печью заканчивается. Максимальное оседание репера № 46 при полной подработке с учетом дренирования обводненных наносов и депрессионной воронки (до 30 мм) составило 935 мм, что превышает вынимаемую мощность пласта ш = 0,92 м под ним. Максимальные горизонтальные сдвижения достигли 480 мм, что составило 52% вынимаемой мощности пласта. Максимальные наклоны составили 17*10"3, что более чем в 4 раза превышает опасные для сооружений. Максимальные горизонтальные деформации составили 12* 10"3, что в 6 раз превышает опасные для зданий и инженерных сооружений [5].
Выводы. По результатам равноточных маркшейдерских наблюдений в горногеологических условиях шахты "Степная" установлены закономерности и зависимости максимальных сдвижений и деформаций земной поверхности от ширины выработанного пространства Д1 в главном сечении мульды, что имеет практическое и научное значение. Научная новизна заключается в установленных точными натурными наблюдениями закономерностях, очередности появления и зависимостях максимальных сдвижений и деформаций земной поверхности от ширины выработанного пространства при постоянных горно-геологических условиях, длине лавы в течение общей продолжительности процесса сдвижения над движущимся очистным забоем при условии полной подработки.
Установленные закономерности и зависимости частично применимы в Центральном и Восточном Донбассе, где выполнить аналогичные натурные наблюдения весьма сложно, так как при глубинах более 300м полной подработки по простиранию пласта от одной лавы не может быть, отработать панель двумя спаренными лавами затруднительно, а продолжительность процесса сдвижения и
ISSN 2077-1738. Сборник научных трудов ДонГТУ 2016. № 3 (46) ГОРНЫЕ НАУКИ
трудоемкость наблюдений многократно увеличиваются.
Полученные достоверные результаты необходимы маркшейдерской службе шахт
Библиографический список
и проектных организаций для выбора оптимальных мер охраны подрабатываемых сооружений земной поверхности.
1. Ларченко В.Г. Автоматическая наблюдательная станция для мониторинга сдвижений и деформаций горных пород / В.Г. Ларченко, О.М. Куценко, Ю.А. Маталкина // Сб. науч. трудов Дон ГТУ, 2015. —Вып. 1 (44). — С. 49-55.
2. Пат. 89230 и Украина, МПК GOIC 15/02. Залирпа станщя для дослгджень деформацш то-eu{i nopid, що тдроблясться / В.Г. Ларченко, О.М. Куценко; заявник i патентовласник ДонДТУ. -и 2013 13815; заявл, 28.11.2013; опубл. 10.04.2014, Бюл. №7. —4 с.
3. Пат. 35377 и Украина, МПК GOIC 3/08. Пристрш для eimipie горизонтальных i вертикальных деформацш то ami nopid i споруд земног поверх/ii / В. Г. Ларченко, П. В. Хоружая; заявник i патентовласник ДонДТУ. - и 2008 13815; заявл. 30.04.2008; опубл. 10.09.2008, Бюл. №17. — 4 с.
4. Пат. 47899 и Украина, МПК GOIC 3/08. Cnoci6 тдвищення точноат спостережень за го-ризонтальними деформащями земног поверхт i споруджень, як1 тдробляються / В. Г. Ларченко, П. В. Хоружая; заявтель i патентовласник ДонДТУ. - и 2009 09875; заявл. 28.09.2009; опубл. 25.02.2010, Бюл. №4. —4 с.
5. Правила тдробки буд'шелъ, споруд i природных об'сютв при видобуванш вугтля тдземним способом //М-во полива та енергетики Укрсани. —Kui'e, 2004. — 127 с.
6. Методические указания по наблюдениям за сдвижением пород и за подрабатываемыми сооружениями /Л-д, ВНИМИ,1978. — 183 с. — (М-воугол, пром-ти СССР ВНИМИ).
Рекомендована к печати д.тм., проф. ДонГТУЛитвинским Г.Г., Главным маркшейдером шахты им. XIX съезда КПСС Кияненко Н.А.
Статья поступила в редакцию 20.05.16.
к.т.н. Ларченко В.Г., Коваленко О.В., Маталкша Ю.А. (ДонДТУ, м Алчевськ, ЛНР)
ЗАЛЕЖШСТЬ МАКСИМАЛЬНИХ ЗРУШЕНЬ I ДЕФОРМАЦШ 3EMHOI ПОВЕРХН1 В1Д ШИРИНИ ВИРОБЛЕНОГО ПРОСТОРУ
За результатами натурных спостережень в глриичо-геологлчиих умовах шахты Зах1дного Донбасу встановлена залежтсть максимальных зрушень i деформацш земног поверхт вгд ширины виробленого простору.
Ключовi слова: максимальт осгдання, нахили, горизонталью зрушення г деформаци земног поверхт, натурнг спостереження, ширина виробленого простору, залежтсть.
PhD in Engineering Larchenko V.G., Kovalenko E.V., Matalkina Yu.A. (DonSTU, Alchevsk, LPR)
DEPENDENCE OF MAXIMUM SHIFT AND EARTH CRUST DEFORMATION ON WIDTH OF WORKED-OUT AREA
On the basis of naturalistic observations at geological mine conditions in western Donbass the dependence of maximum shift and earth crust deformation on width of worked-out area is determined.
Key words: maximum setting, incline, horizontal shift and earth crust deformation, naturalistic observations, width of worked-out area, dependence.
