Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Обґрунтування параметрів процесу зрушення породного масиву в умовах пологих вугільних пластів

Бєліченко Олена Валентинівна

АНОТАЦІЯ

гірський масив зрушення

Бєліченко О.В. Обґрунтування параметрів процесу зрушення породного масиву в умовах пологих вугільних пластів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.01 - “Маркшейдерія”. Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, Дніпропетровськ, 2003.

Практика ведення маркшейдерських спостережень за зрушенням земної поверхні в результаті виїмки положистих пластів вугілля показує, що застосування існуючих методик визначення прогнозних параметрів цього процесу для глибин, що відрізняються від зазначених у нормативних документах, не завжди забезпечує необхідну точність і надійність прогнозування. При необхідності прогнозування параметрів процесу зрушення на глибинах, більших або менших регламентованих глибин, виникає систематична помилка визначення довжин напівмульд, викликана наявністю зони зрушення в безпосередній близькості від горизонту розроблювального пласта в гірському масиві. Встановлено, що її величина прямо пропорційна величині відхилення зазначених глибин від фіксованих в нормативних документах, а також різниці регламентованих ними і фактичних граничних кутових параметрів.

На підставі виконаних досліджень процесів розподілу зміщень контурних реперів у підготовчих виробках, вертикальних зрушень земної поверхні і гірського масиву для умов Західного Донбасу й інших басейнів з положистим заляганням розроблювальних пластів і великих потужностей наносів, а також встановлення ідентичності їх протікання, у роботі розроблений спосіб визначення граничних кутових параметрів процесу зрушення з урахуванням реальних границь приведених напівмульд і встановлені їх чисельні значення, що враховують особливості зрушення масиву гірських порід і земної поверхні.

Вперше враховані розміри напівмульд зрушення в безпосередній близькості від розроблювального горизонту, що дозволяє розширити область застосування їх величин при прогнозуванні зрушень не тільки на земній поверхні, але й у масиві, що зрушується, з можливістю вести розрахунки параметрів процесу зрушення для будь-яких глибин розробки.

Ключові слова: процес зрушення, граничні кутові параметри, напівмульда зрушення, зміщення кріплення виробок.

1. загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Вугільна промисловість має важливе значення для економіки України, забезпечуючи видобуток цінного енергоносія та сировини для металургійного виробництва. У зв'язку з високою щільністю забудови територій у зону шкідливого впливу очисних робіт попадають великі території орних земель і угідь, промислові і цивільні споруди і природні об'єкти. Тому питання охорони об'єктів, що підробляються, від шкідливого впливу гірничих робіт мають особливу актуальність.

Для наукового обґрунтування способів захисту об'єктів, що підробляються, від шкідливого впливу гірничих робіт, параметрів захищених зон і зон підвищеного гірського тиску, методів охорони гірничих виробок від впливу підробки, необхідно мати дані про закономірності зрушення і деформування товщі, що підробляється, при проведенні очисних робіт.

Існуючі граничні кутові параметри процесу зрушення для шахт Донбасу отримані і можуть бути застосовані при прогнозуванні параметрів зрушення для визначених глибин. При цьому не враховуються параметри зрушення на горизонті розробки пласту. При прогнозуванні параметрів зрушення для глибин, що відрізняються від цих значень, за рахунок протікання процесу зрушення й утворення мульди зрушення на горизонті пласту, що розробляється, виникають систематичні похибки визначення довжин напівмульд і параметрів зрушення. Особливе значення мають ці питання для шахт Західного Донбасу.

Дана робота присвячена узагальненню результатів дослідження процесів зрушення земної поверхні і зміщення кріплення гірничих виробок на шахтах Західного Донбасу і розробці на їх основі методики визначення граничних кутових параметрів двошарового (наноси-карбон) масиву гірських порід, що підробляється, як основних вихідних параметрів при прогнозі процесу його зрушення.

Мета роботи полягає в обґрунтуванні та розробці методики визначення приведених кутових параметрів процесу зрушення двошарового породного масиву, що підробляється, та земної поверхні.

Основна ідея роботи полягає у використанні закономірностей зрушення земної поверхні та зміщення кріплення підготовчих виробок на горизонтах розробки пласта, як показника зрушень, для визначення приведених граничних кутових параметрів процесу зрушення двошарового масиву гірських порід, що підробляється.

Об'єктом досліджень є земна поверхня і породний масив, що зрушується під впливом очисних робіт.

Предметом досліджень є приведені граничні кутові параметри: приведені граничні кути, кути повних зрушень та утворені ними довжини напівмульд зрушення двошарового породного масиву, що підробляється.

Основні задачі досліджень:

- аналіз і узагальнення літературних джерел та виробничого досвіду за темою дисертації;

- дослідження границь напівмульди зрушення;

- розробка методики визначення приведених граничних кутових параметрів масиву, що підробляється;

- вивчення гірничо-геологічних умов і параметрів процесів зрушення гірських порід, а також зміщення кріплення підготовчих виробок на експериментальних ділянках;

- встановлення чисельних значень приведених кутових параметрів процесу зміщення двошарового масиву, що підробляється;

- виконання експериментальної перевірки отриманих значень граничних кутових параметрів процесу зрушення двошарового масиву, що підробляється.

Методи досліджень. Поставлена в дисертаційній роботі мета досягнута шляхом використання методів комплексного аналізу, узагальнення літературних даних і досвіду з вивчення процесу зрушення земної поверхні та стійкості гірничих виробок, аналітичних, натурних досліджень з залученням методів теорії ймовірностей і математичної статистики.

Наукові положення:

- в підробленому масиві гірських порід і в безпосередній близькості від горизонту розробки пласту напівмульда зрушення відповідає кривій інтегральної функції нормального розподілу на її ділянці, початок та кінець якої рівновіддалені від точки перегину кривої вертикальних зрушень на відстані, що дорівнюють частці від ділення максимального осідання в мульді на величину максимального нахилу кривої, що дозволяє однозначно визначати границі зони впливу очисної виробки за умови повної підробки.

- розрахункова область геомеханічного впливу очисної виробки на породний масив, що підробляється, обмежується лініями, проведеними з точок початку та кінця напівмульди зрушення на горизонті пласту, що розробляється, до відповідних точок на земній поверхні, що дозволяє пропорційно збільшенню глибини розробки підвищувати точність прогнозування параметрів процесу зрушення.

Наукова новизна роботи:

- обґрунтований і розроблений алгоритм визначення граничних кутових параметрів процесу зрушення двошарового породного масиву, що підробляється, із вимірювань параметрів зрушення на земній поверхні та зміщення кріплення підготовчих виробок на горизонті розробки пласта;

- вперше отримана закономірність формування систематичних похибок встановлення довжини напівмульди, що викликані наявністю зони зрушення на горизонті, що розробляється, та невідповідністю глибини, в умовах якої були визначені граничні кутові параметри, глибині прогнозування зрушень, а також різницею граничних кутових параметрів, що прийняті згідно з “Правилами охорони споруд і природних об'єктів від шкідливого впливу підземних гірничих розробок на вугільних родовищах”, і фактичних кутових параметрів процесу зрушення масиву, що підробляється;

- на основі експериментальних досліджень параметрів процесу зрушення встановлено, що розподіл вертикальних зрушень на горизонті закладення глибинних реперів, як і на земній поверхні, відповідає інтегральній функції нормального розподілення.

Наукове значення роботи полягає в:

- розкритті закономірностей розташування границь у напівмульді зрушення на земній поверхні;

використанні закономірностей зміщення кріплення підготовчих виробок на горизонті, що розроблюється, і процесу зрушення на земній поверхні для встановлення характеру просторового розташування зон впливу очисної виробки в двошаровому масиві, що підробляється;

встановленні закономірностей формування граничних кутових параметрів процесу зрушення в двошаровому породному масиві, що підробляється.

Практичне значення:

- розроблено методику обчислення граничних кутових параметрів, що визначають реальні границі зон зрушення в двошаровому (наноси-карбон) масиві гірських порід, що застосована для умов Західного Донбасу та інших басейнів. Запропонована методика заснована на використанні маркшейдерських вимірів параметрів зрушення на земній поверхні і в підземних виробках, а також зміщень контурів кріплення виробок на горизонті розробки пласту;

- визначені чисельні значення граничних кутових параметрів зрушення двошарового породного масиву, що підробляється, для умов Центрального та Західного Донбасу. Отримані кутові параметри враховують особливості зрушення породного масиву і земної поверхні. Застосування цих параметрів при прогнозах ймовірних зрушень і деформацій земної поверхні і породного масиву дозволяє підвищити надійність технічних рішень з охорони поверхневих і підземних об'єктів від шкідливого впливу гірничих робіт.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджується задовільною збіжністю результатів теоретичних, експериментальних і натурних досліджень, а також результатами підробки греблі ставка балки “Лозове” та під'їзних залізничних колій шахти “Ювілейна” ДП “Павлоградвугілля”.

Реалізація результатів досліджень. Результати досліджень використані при підробці греблі ставка балки “Лозове”, а також під'їзних залізничних колій на шахті “Ювілейна” ДП “Павлоградвугілля”.

Особистий внесок автора полягає у формулюванні наукової мети, задач, наукових положень, в аналізі результатів експериментальних і теоретичних досліджень, а також в у розробці методики визначення граничних кутових параметрів процесу зрушення породного масиву, що підробляється.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи повідомлені, обговорені і схвалені на засіданнях кафедри маркшейдерії НГУ (1998 - 2003 р.р.), на IV науково-технічній конференції ВУЗів України “Маркшейдерське забезпечення гірських робіт” (м. Дніпропетровськ, 1996 р.), на V науково-технічній конференції ВУЗів України “Маркшейдерське забезпечення гірничих робіт” (м. Донецьк, 1997 р.), на міжнародній науково-техничній конференції кафедри Будівництва шахт і підземних споруд ДНТУ “Удосконалення технології будівництва шахт і підземних споруд” (м. Донецьк, 2003 р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 9 наукових праць, у тому числі 5 у фахових виданнях і 4 у збірниках матеріалів науково-технічних конференцій.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновку, списку літературних джерел з 67 найменувань і додатка. Вона містить 133 сторінки машинописного тексту, 10 таблиць, 22 рисунки. Загальний обсяг 174 сторінки.

Автор висловлює глибоку вдячність науковому керівникові к.т.н., доценту Г.Ф. Гаврюку за цінні поради і постійну увагу під час підготовки дисертації, а також завідуючому кафедрою маркшейдерії НГУ к.т.н., доценту С.В. Бєгічеву та співробітникам кафедри за сприяння та допомогу в проведенні експериментальних та аналітичних досліджень.

2. ОСНОВНий зміст РоБОТи

При виїмці запасів вугілля в зону шкідливого впливу гірничих робіт підпадають різні промислові і цивільні споруди та природні об'єкти. Для їх охорони необхідне використання спеціальних заходів захисту від шкідливого впливу гірничих робіт.

Для теоретичного обґрунтування положення границь напівмульди зрушення земної поверхні з боків недоторканого масиву та виробленого простору в роботі використана математична модель нахилів у мульді зрушення, що запропонована В.І. М'якеньким:

Виразивши розміри очисної виробки S₁ через довжину напівмульди L при виконанні умови повної підробки отримаємо формулу для довжини напівмульди:

.

Напівмульду зрушення, що відповідає інтегральній кривій нормального розподілення, будемо називати приведеною напівмульдою зрушення.

Границі приведеної напівмульди, будуть знаходитись з різних сторін від точки перегину на відстанях, що дорівнюють половині обчисленої довжини напівмульди.

Лінії, що проведені від границі очисної виробки до точки початку та кінця приведеної напівмульди зрушення, утворюють з площиною пласта приведені кути повних зрушень і приведені граничні кути. В дисертації розроблений спосіб визначення приведених граничних кутових параметрів.

;

,

де d - зміщення точки перегину відносно границі очисної виробки; H - глибина розробки пласта.

Відповідно до “Правил охорони...”, за границі зон впливу очисної виробки в вертикальній площині на земній поверхні та в породному масиві прийняті лінії, проведені від границі очисної виробки під граничними кутами і кутами повних зрушень до площини пласту.

Фактичні розміри зон впливу очисної виробки в масиві гірських порід, що підробляється значно відрізняються від зон, визначених з використанням загальноприйнятих граничних кутових параметрів.

При невідповідності глибини прогнозування параметрів зрушення глибині визначення кутових параметрів виникають систематичні похибки обчислення довжин напівмульд, що викликані наявністю зони зрушення на горизонті розробки пласту і в породному масиві.

За величиною ці похибки прямо пропорційно залежать від величини h, а також від розбіжності граничних кутових параметрів, прийнятих згідно з “Правилами охорони…” і фактичних кутових параметрів породного масиву, що підробляється.

Найбільше розходження вказаних розмірів зон зрушення виникає на горизонті розробки пласта, де розміри зон зрушення, що прогнозуються з використанням існуючих граничних кутових параметрів дорівнюють нулю, а похибка в визначенні розміру цієї зони за абсолютною величиною буде дорівнювати фактичному розміру зони зрушення.

Таким чином, існуючі граничні кутові параметри отримані та можуть застосовуватись при прогнозуванні параметрів зрушення для шахт Західного Донбасу на фіксованих глибинах. Для глибин, що відрізняються від цих значень, виникають систематичні похибки довжин напівмульд і параметрів зрушення. Величини похибок прямо пропорційні розходженню цих глибин h і можуть досягати сотень метрів при визначенні довжин напівмульд і декілька порядків при обчисленні параметрів процесу зрушення.

Для встановлення закономірностей протікання процесу зрушення в безпосередній близькості від пласта, що розробляється, в роботі проаналізовані спостереження, що були виконані маркшейдерською службою шахти “Ясинівська-Глибока”. Процес зрушення порід, що підробляються, досліджувався відповідно руху лави за допомогою глибинних реперів, встановлених в вертикальні свердловини в покрівлю і підошву штрека.

Вертикальні зрушення реперів починали проявлятися за 2030 м від проекції вибою лави, що наближалася. Максимальні зрушення реперів спостерігались при віддаленні від них лави на 90100 м.

Отримані для глибинних реперів величини вертикальних зрушень відображають характер і динаміку зрушення породного масиву, що підробляється і надробляється. Довжини напівмульд зрушення для горизонту 16 и 32 м відповідно склали 133 и 153 м (величини зависання для цих горизонтів склали 30 і 45 м). Довжина напівмульди на горизонті розробки в цих умовах склала 123 м.

Для оцінки характеру зрушення масиву, що підробляється, експериментальні криві вертикальних зрушень були трансформовані в безрозмірні криві, що порівнювались з інтегральної кривою нормального розподілення. В результаті встановлена їх відповідність.

Таким чином, при відсутності спостережень за процесом зрушення на горизонті розробки в першому приближенні границями приведеної напівмульди зрушення будемо вважати точки на початку та кінці кривої зміщення кріплення підготовчих виробок в зоні впливу лави.

В роботі отримані вирази для визначення складових частин напівмульди А₀, В₀ і d₀ на горизонті розробки пласту з урахуванням глибини розробки і на земній поверхні А, В, d і L.

;

;

.

Згідно з “Вказівками з раціонального розташування, охороні та підтримки гірничих виробок на вугільних шахтах” отримана залежність L₀ для глибин шахт Західного Донбасу 200600 метрів и опіру порід стиску на контурі підготовчої виробки R=80 МПа. Значення Ao приведене як розмір зони стиску пласту.

Величини d₀ прийняті за результатами еспериментальних спостережень за зміщенням контурів підготовчих виробок з урахуванням глибини розробки

Також розроблена методика визначення граничних кутових параметрів породного масиву. Як вихідні дані для визначення цих параметрів в роботі використані результати досліджень процесу зрушення земної поверхні, що були проведені кафедрою маркшейдерії НГУ на 21 спостережній станції шахт Західного Донбасу.

В роботі використовувались результати досліджень процесу зміщення контурних реперів в підошві, покрівлі та боках підготовчих виробок на 8 спостережних станціях шахт Західного Донбасу. Роботи виконані Л.Я Парчевським, Ю.М. Халимендиком, В.С. Мартюшевим.

Спостереження за зміщенням контурних реперів вказаних станцій виконувались відповідно відробці лав, що впливають на стійкість виробок, і попадання їх в зону зрушення і техногенного впливу очисних робіт.

Зроблено припущення, що в площині розробки пласту процес початку зміщення контурних реперів підготовчих виробок співпадає з початком зрушення масиву гірських порід. Так, початкове зміщення пари реперів будь-якого перерізу спостережної станції відмічається в момент підходу лави, що впливає на даний переріз, на деяку відстань і попадання його в зону підвищеного гірського тиску (ПГТ). Дільниці кривої зміщень в зоні ПГТ відповідає дільниця зрушення гірських порід в цій зоні попереду вибою лави.

Процес зміщення контуру загасає і практично припиняється після відходу вибою лави на відстань від 35 до 110 м.

Аналіз кривих зміщень контурних реперів показав, що за характером розподілу зміщень реперів в просторі відносно вибою лави, вони ідентичні до кривих вертикальних зрушень земної поверхні і породного масиву. Це дозволило прийняти довжини зон техногенного впливу лав (довжини кривих зміщень контурних реперів) дорівняними довжинам напівмульд процесу зрушення, який відбувається в породному масиві і в пласті, що розробляється.

Визначення для шахт Західного Донбасу чисельних значень граничних кутів, кутів повних зрушень і кутів зависання у карбоні і наносах виконувалось за вимірюваннями параметрів зрушення на земній поверхні в умовах 21 перерізу вздовж профільних ліній спостережних станцій, а також значеннями розмірів зон техногенного впливу очисних виробок на підготовчі штреки для 8 шахт Західного Донбасу.

Обробка отриманих чисельних масивів виконувалась за допомогою сучасної обчислювальної техніки методом кореляційного аналізу з використанням способу найменших квадратів.

Для отримання чисельних значень граничних кутових параметрів в наносах і карбоні були отримані кореляційні залежності, коефіцієнти достовірності апроксимації R² і побудований графік.

Таким чином, кутові коефіцієнти та свободні члени отриманих рівнянь відповідають чисельним значенням котангенсів граничних кутових параметрів. В результаті отримані величини граничних кутів: _0нm = 61⁰ і _0кm = 79⁰; кутів повних зрушень: _нm = 65⁰ і _кm = 69⁰; та кутів зависань: _dн = 84⁰ і _dк = 89,8⁰; у наносах і карбоні відповідно.

Експериментальна перевірка отриманих у роботі значень граничних кутових параметрів для умов шахт Західного Донбасу показала їх задовільну збіжність з результатами аналітичних досліджень. Вона була виконана в умовах шахти “Ювілейна” ДП “Павлоградвугілля” на прикладі відробки запасів вугілля в районі ставка і греблі балки Лозове, а також підробки під'їзних залізничних колій шахти.

Висновки

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій отримане нове рішення актуальної науково-прикладної задачі, що полягає в розробці методики встановлення граничних кутових параметрів процесу зрушення породного масиву з урахуванням зрушення на горизонті розробки пласта в умовах шахт Західного Донбасу.

Основні наукові і практичні результати дисертації полягають у наступному:

1. Вперше отримана закономірність формування систематичних похибок визначення довжини напівмульди, що викликані наявністю зони зрушення на горизонті розробки пласта. При невідповідності глибини, в умовах якої були визначені граничні кутові параметри, глибині прогнозування зрушень, ця похибка прямо пропорційна величині розходження цих глибин, а також різниці між граничними кутовими параметрами, що прийняті згідно “Правилам охорони…” і фактичних кутових параметрів породного масиву, що підробляється.

2. На основі експериментальних досліджень параметрів процесу зрушення в умовах шахти “Ясинівська-Глибока” встановлено, що розподіл вертикальних зрушень на горизонті розробки відповідає інтегральній функції нормального розподілення, а довжини напівмульд зрушення на горизонтах розміщення глибинних реперів (16 и 32 м вгору від пласта, що розроблявся) складають 122 и 128 м, відповідно.

3. Розроблена методика обчислення граничних кутових параметрів, що визначають реальні границі зон зрушення в двошаровому (наноси-карбон) масиві гірських порід, що підробляється. Вона може бути використана для умов Західного Донбасу та других басейнів зі схожими умовами. Запропонована методика заснована на використанні маркшейдерських вимірювань параметрів зрушення на земній поверхні і в підземних виробках, а також зміщень контурів кріплення підготовчих виробок на горизонті розробки пласту.

4. Отримані чисельні значення граничних кутових параметрів, що підробляється, двошарового масиву гірських порід для умов Західного Донбасу. Значення граничних кутів склали _0нm = 61⁰ і _0кm = 79⁰, кутів повних зрушень _нm = 65⁰ і _кm = 69⁰, та кутів зависання _dн = 84⁰ і _dк = 89,8⁰ у наносах і в карбоні, відповідно. Крім того, обчислені величини граничних кутових параметрів для шахт Донецького вугільного басейну: _0m = 86⁰; _m = 69⁰; _d = 80⁰. Отримані кутові параметри враховують особливості зрушення масиву гірських порід і земної поверхні. Використання цих параметрів при прогнозуванні ймовірних зрушень і деформацій земної поверхні і породного масиву дозволяє підвищити надійність технічних рішень з охорони поверхневих і підземних об'єктів від шкідливого впливу гірничих робіт.

СПИСОК опублікованих робіт здобувача за темою дисертаціЇ

1. Е.В. Беличенко. Об ошибках прогнозирования размеров зон влияния очистной выработки //Сб. науч. тр. НГА Украины, №7.- Т. 2. - Днепропетровск: РИК НГАУ, 1999. - С. 43-45.

2. Е.В. Беличенко. Математическая модель процесса сдвижения земной поверхности с учетом сдвижения массива горных пород //Науковий вісник НГА України, №4. - Днепропетровск: НГАУ, 1999. - С. 94-96.

3. В.М. Пидгайный, Е.В. Беличенко. Определение величины зависания пород основной кровли над границами очистной выработки. //Придніпровський науковий вісник. - 1998.- № 118-119 (185-186). - С. 33-34.

4. О.В. М'якенька. К вопросу определения углов сдвижения для шахт Западного Донбасса. //IV науч.-техн. конф. ВУЗов Украины. - Днепропетровск: РИК НГАУ, 1996. - С. 215.

5. В.В. Мякенький, Е.В. Беличенко, Н.В. Чемакина. Результаты исследований сдвижений массива горных пород вблизи разрабатываемого пласта. // Совершенствование технологи строительства шахт и подземных сооружений.-Сб. научн. трудов.- Донецк: ООО “НОРД-пресс”, 2003. - С.41.

Особистий внесок здобувача в роботах, написаних у співавторстві: [3]-теоретичні дослідження й аналіз результатів; [5] - постановка задачі, виконання теоретичних і експериментальних досліджень, аналіз результатів.

Размещено на Allbest.ru