Розробка методу прогнозу умов раціональної підробки будівель на вугільних родовищах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Державний вищий навчальний заклад

“Донецький національний технічний університет”

УДК 622.837:622.838

Розробка методу прогнозу умов раціональної підробки будівель на вугільних родовищах

Спеціальність 05.15.01 - “Маркшейдерія”

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Бліннікова Олена Володимирівна

Донецьк 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Державному вищому навчальному закладі “Донецький національний технічний університет” Міністерства освіти і науки України та Українському державному науково-дослідному і проектно-конструкторському інституті гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи (УкрНДМІ) НАН України

Захист відбудеться 13 квітня 2007 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.05 ДВНЗ “Донецький національний технічний університет” (83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, I навч. корпус, ВАЗ).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ДВНЗ “Донецький національний технічний університет” (83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, II навч. корпус).

Автореферат розісланий 5 березня 2007 р.

АНОТАЦІЯ

Бліннікова О.В. Розробка методу прогнозу умов раціональної підробки будівель на вугільних родовищах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.01 - “Маркшейдерія”. Державний вищий навчальний заклад “Донецький національний технічний університет”, Донецьк, 2007.

У дисертації виконано теоретичне узагальнення актуальної науково-технічної задачі визначення впливу деформацій земної поверхні на підроблювані будівлі. Розроблено новий критерій узагальнених структурних деформацій стін, що характеризують їх розшарування від горизонтального зсуву при розтягу і стиску земної поверхні, вертикального зсуву при кривизні опуклості й угнутості, вигину при кривизні опуклості. Розроблено деформаційні схеми будівель та одержано нові розрахункові показники деформацій при плавних і зосереджених деформаціях земної поверхні. Встановлено залежності максимального розкриття тріщин в зовнішніх стінах будівель від розрахункових показників деформацій.

Розроблено методику визначення нормативних допустимих показників деформацій будівель за умовами експлуатації. Запропоновано новий показник для оцінки технічного стану підроблюваних будівель - залишковий деформаційний ресурс. Розроблено критерій початкових деформацій земної поверхні для підроблюваних будівель.

Ключові слова: підроблювані будівлі, структурні деформації стін, деформаційні схеми будівель, розрахункові показники деформацій, нормативні допустимі показники деформацій, залишковий деформаційний ресурс, початкові деформації земної поверхні.

АННОТАЦИЯ

Блинникова Е.В. Разработка метода прогноза условий рациональной подработки зданий на угольных месторождениях. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.01 - “Маркшейдерия”. Государственное высшее учебное заведение “Донецкий национальный технический университет”, Донецк, 2007.

В диссертации выполнено теоретическое обобщение актуальной научно-технической задачи определения влияния деформаций земной поверхности на подрабатываемые здания. Разработан новый критерий обобщенных структурных деформаций стен, характеризующих их расслоение от горизонтального сдвига при растяжении и сжатии земной поверхности, вертикального сдвига при кривизне выпуклости и вогнутости, изгиба при кривизне выпуклости. Разработаны деформационные схемы и получены новые расчетные показатели деформаций зданий при плавных и сосредоточенных деформациях земной поверхности.

При плавных деформациях земной поверхности, в зависимости от их вида и отношения длины здания l к высоте H, возможны четыре схемы. При растяжении деформированное состояние зданий характеризуется равномерным горизонтальным сдвигом с расслоением каменной кладки наклонными трещинами, а при кривизне выпуклости - неравномерным вертикальным сдвигом стены как балки-стенки и выгибом как обычной балки с максимальным расслоением наклонными и вертикальными трещинами по верху карниза при l2H и на высоте, равной полудлине здания, при l?2H. При одновременном воздействии сжатия и кривизны вогнутости деформированное состояние зданий характеризуется неравномерным вертикальным сдвигом стены в виде трапеции при l2H или треугольника при l?2H и ее неравномерным по высоте обжатием. При этом основным фактором, негативно влияющим на здание, является вертикальный сдвиг, который создает условия для реализации сопутствующего ему сжатия.

При сосредоточенных деформациях земной поверхности с образованием уступов возможны три деформационные схемы зданий в зависимости от соотношения длины уступа под зданием lу и длины здания l в плоскости рассматриваемой стены, пересекающей трассу уступа. Первая схема образуется при lу0,25l, вторая - при 0,25llу0,75l и третья - при lу0,75l. Анализ взаимодействия зданий со ступенчато оседающим основанием свидетельствует о специфическом проявлении горизонтальных деформаций: в процессе увеличения уступа их влияние ослабевает, причем в начале уступа основание отрывается от подошвы фундамента и они на здание не влияют. Поэтому в качестве обобщенного показателя структурных деформаций зданий на ступенчато оседающем основании принимается расчетный показатель сосредоточенных деформаций h = hу.

Определены зависимости максимального раскрытия трещин в наружных стенах зданий от расчетных показателей деформаций. При плавных деформациях земной поверхности использованы усредненные статистические зависимости Маркова В.В., приведенные в “Правилах охраны…” (1981 г.), и результатах исследований подработки одноэтажных производственных зданий, выполненных Шагаловым С.Е. и Синопальниковым С.Г. Разработана методика преобразования этих зависимостей методом подобия в уравнения взаимосвязи, оперирующие новыми расчетными показателями. Эмпирические зависимости максимального раскрытия трещин в наружных стенах жилых и общественных зданий от расчетного показателя сосредоточенных деформаций получены на основании обобщения опыта их подработки в Центральном районе Донбасса.

Допустимые значения максимального раскрытия трещин [max] принимаются соответствующими степени деформаций, не нарушающих условия эксплуатации зданий. Путем подстановки [max] в уравнения взаимосвязи определены нормативные допустимые показатели деформаций зданий с учетом их разряда, этажности (жилые и общественные) и высоты (одноэтажные производственные).

Отличительной особенностью разработанного метода является оценка технического состояния подрабатываемых зданий по критерию максимального раскрытия трещин в наружных стенах, допустимое значение которого соответствует нормативным допустимым показателям деформаций. Предложен новый показатель для оценки технического состояния - остаточный деформационный ресурс. Получены формулы для определения коэффициентов остаточного деформационного ресурса зданий в зависимости от степени деформаций стен согласно выполненной классификации. Разработан критерий начальных деформаций земной поверхности, при которых деформации зданий от подработки не проявляются или не выделяются на общем деформационном фоне. Применение этого критерия обеспечит снижение трудоемкости выполнения проектов подработки горными предприятиями.

Ключевые слова: подрабатываемые здания, структурные деформации стен, деформационные схемы зданий, расчетные показатели деформаций, нормативные допустимые показатели деформаций, остаточный деформационный ресурс, начальные деформации земной поверхности.

SUMMARY

Blinnikova Ye.V. “Developing of method to predict conditions for efficient undermining of buildings at coal deposits”. - Manuscript.

Thesis for Candidate of Science (Engineering) degree by specialty 05.15.01 - “Mine surveying”. The state institution of higher education - “Donetsk National Technical University”, Donetsk, 2007.

The thesis gives a theoretical generalization of the urgent scientific and technical problem concerning determination of effect of ground movement on buildings being undermined. A new criterion of generalized structural deformations of walls that characterize their cleavage has been developed. It is based on structural deformations of walls that characterize their cleavage from surface tensile and compressive horizontal shears, vertical shear at convexity and concavity curvature, bending at convexity curvature. Deformation patterns for buildings have been worked out and the new estimated rates at continuous and point ground movements have been derived. Correlation between the estimated rates and the generalized deformation criterion for maximum crack opening displacements in exterior walls of buildings has been specified.

Procedure to determine standard allowable deformation rates for buildings taking into account their service conditions has been worked out. Proposed is a new universal characteristic for assessment of structural state of buildings being undermined, viz their remaining deformation life. Also a criterion of initial ground movements for buildings being undermined has been developed.

Key words: buildings being undermined, structural deformations of walls, deformation patterns for buildings, estimated rates of building movement, standard allowable deformation rates, remaining deformation life, initial ground movements.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. При підземному видобуванню вугілля щорічно через зрушення земної поверхні в Україні піддаються деформаціям тисячі житлових та громадських будівель міст і селищ, виробничих будівель промислових підприємств. У процесі впливу гірничих виробок порушуються умови взаємодії будівель з їх основою, що призводить до деформацій і пошкоджень конструкцій.

Останніми роками багато аспектів проблеми виймання вугілля під забудованими територіями істотно змінилися: з одного боку, багатократна підробка призвела до погіршення їх технічного стану, а з іншого - у зв'язку із зміною форм власності зросли вимоги до умов їх експлуатації при підробці. За таких обставин методика визначення безпечних умов підробки, що існувала до 2004 р., не задовольняла вимогам Кодексу України про надра і Гірничого Закону України, згідно з якими повинні бути забезпечені безпека і використання за призначенням підроблюваних будівель при максимально можливому вийманні вугілля. Основними недоліками цієї методики є: недосконалість розрахункових показників деформацій, які не дозволяють оцінити деформований стан будівель при стиску і кривизні угнутості та при зосереджених деформаціях земної поверхні з утворенням уступів; невідповідність нормативних допустимих показників деформацій будівель допустимим значенням узагальнених деформаційних критеріїв; визначення допустимих показників деформацій та оцінка технічного стану підроблюваних будівель за різними критеріями; відсутність регламентованих початкових деформацій земної поверхні, за яких підробка будівель може проводитися незалежно від їх технічного стану.

Забезпечити раціональну підробку можна тільки на основі встановлення деформаційних схем підроблюваних будівель за різних деформацій земної поверхні, застосування узагальнених деформаційних критеріїв, що характеризують ступінь впливу підробки на будівлі, а також - принципу відповідності допустимих показників деформацій і технічного стану будівель одному узагальненому деформаційному критерію. Тому наукове обґрунтовування раціональної підробки будівель на вугільних родовищах є важливою науковою і народногосподарською задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Базовими роботами для підготовки дисертації були “Розробка “Правил підробки будівель, споруд і природних об'єктів при видобуванні вугілля підземним способом” (шифр роботи 0210201010, № ДР 0102U07140) за планом Держвуглепрому Мінпалив-енерго України на 2002-2003 рр. і “Розробка методу визначення залишкового деформаційного ресурсу будівель та споруд, що експлуатуються за складних гірничо-геологічних умов, з використанням узагальнених деформаційних критеріїв технічного стану” (шифр роботи Р 1.5-2004-2006, № ДР 0104U009528) цільової комплексної програми НАН України “Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин” (“Ресурс”) на 2004-2006 рр.

Метою роботи є розробка методу прогнозу умов раціональної підробки будівель.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі: розробити деформаційні схеми підроблюваних будівель; обґрунтувати розрахункові показники деформацій будівель; встановити залежності максимального розкриття тріщин в стінах будівель від розрахункових показників деформацій; обґрунтувати нормативні допустимі показники сумарних і зосереджених деформацій будівель при підробці; розробити методику визначення допустимих показників деформацій будівель з урахуванням їх залишкового деформаційного ресурсу; обґрунтувати початкові деформації земної поверхні для підроблюваних будівель.

Об'єкт дослідження - вплив деформацій земної поверхні на підроблювані будівлі.

Предмет дослідження - закономірності деформування підроблюваних будівель.

Методи досліджень. Аналіз і узагальнення архівних матеріалів УкрНДМІ НАН України за результатами натурних спостережень і обстежень підроблюваних будівель у Донбасі за 1967-2002 рр., теоретичний аналіз деформованого стану будівель на підставі закономірностей їх взаємодії з основою, що деформується, аналітичні дослідження умов раціональної підробки будівель з використанням існуючих і розроблених залежностей.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше на підставі структурних деформацій розшарування стін розроблено деформаційні схеми підроблюваних будівель, які враховують вертикальний зсув, що забезпечує фактичне співвідношення ступеня впливу на будівлі горизонтальних деформацій і кривизни земної поверхні та підвищує надійність прогнозу стану будівель при підробці і визначення заходів захисту.

2. Вперше доведено, що основними причинами деформування будівель при стиску і кривизні угнутості земної поверхні є горизонтальний і вертикальний зсув. При цьому вплив стиску і кривизни угнутості менше, ніж вплив розтягу і кривизни опуклості у 1,3-3,0 рази, що дозволяє істотно розширити можливості підробки будівель.

3. Вперше встановлено, що нормативні допустимі показники деформацій та технічний стан будівель повинні визначатися за одним узагальненим деформаційним критерієм, що гарантує раціональну підробку - забезпечення безпеки та умов експлуатації при максимально можливому вийманні вугілля. Для оцінки технічного стану підроблюваних будівель запропоновано новий показник - залишковий деформаційний ресурс.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень і висновків. Під час проведення досліджень використано результати натурних спостережень більш ніж за 1500 підроблюваних будівель, отримано добру збіжність прогнозованих деформацій підроблюваних будівель з даними спостережень і результатами впровадження у виробництво.

Наукове значення роботи. Розкрито механізм раціональної підробки, який полягає у відповідності ступеня впливу деформацій земної поверхні на будівлі та їх залишкового деформаційного ресурсу одному узагальненому деформаційному критерію. Цей механізм застосовний до будь-яких об'єктів, експлуатованих на підроблюваних територіях.

Практичне значення отриманих результатів. Застосування результатів роботи забезпечить безпеку й умови експлуатації підроблюваних будівель за максимально можливого виймання вугілля. Ступінь готовності отриманих результатів у вигляді формул і таблиць дозволяє їх використовувати при складанні проектів підробки будівель на вугільних родовищах України.

Результати досліджень використано при розробці галузевого стандарту “Правила підробки будівель, споруд і природних об'єктів при видобуванні вугілля підземним способом” (затв. Наказом Мінпаливенерго України від 28 листопаду 2003 р. № 703) і визначенні умов раціональної підробки м. Жданівки шахтою “Жданівська”, селища Пролетарське м. Макіївки шахтою ім. С.М. Кірова, селища Удачне і села Димитрово шахтою “Красноармійська-Західна № 1” та Донецького металопрокатного заводу шахтою ім. О.Ф. Засядька.

Особистий внесок автора. Автору належить розкриття й обґрунтовування механізму раціональної підробки, ідея і розробка деформаційних схем підроблюваних будівель на основі структурних деформацій розшарування стін, ідея і методика оцінки технічного стану підроблюваних будівель за їх залишковим деформаційним ресурсом, а також ідея застосування нового критерію початкових деформацій земної поверхні для підроблюваних будівель.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідалися на міжнародній науково-технічній конференції “Геоінформатика, геодезія і маркшейдерія” (Донецьк, 2003 р.), міжнародній науково-технічній конференції “Гірнича геологія, геомеханіка і маркшейдерія” (Донецьк, 2004 р.), секції “Загальна наукова методологія оцінки стану об'єктів тривалої експлуатації. Методи та засоби технічної діагностики” Науково-координаційної Ради з питань ресурсу та безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин при Президії НАН України (Київ, 2004, 2005 і 2006 рр.).

Публікації. Результати дисертації опубліковано у п'яти статтях, матеріалах однієї конференції і галузевому стандарті.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 122 найменувань на 16 сторінках і одного додатку на 9 сторінках. Основний текст дисертації викладено на 165 сторінках і містить 35 рисунків та 33 таблиці. Загальний обсяг дисертації 200 сторінок.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В першому розділі “Сучасний стан науково-технічного забезпечення підробки будівель на вугільних родовищах” виконано огляд існуючих методів прогнозу деформацій земної поверхні та умов безпечного впливу деформацій земної поверхні на підроблювані будівлі. Аналізу деформованого стану породного масиву над очисною виробкою і розробці методів прогнозу зрушень і деформацій земної поверхні присвячено дослідження Авершина С.Г., Акімова О.Г., Гавриленка Ю.М., Земісєва В.М., Іофіса М.А., Колбенкова С.П., Кратча Г., Ларченка В.Г., Медянцева А.Н., Муллера Р.А., Петрука Є.Г. та ін. У цей час методи прогнозу розроблено стосовно всіх гірничо-геологічних умов України.

Безпечний вплив деформацій земної поверхні на будівлі досліджували Варлашкін В.М., Коротков М.В., Кратч Г., Креніда Ю.Ф., Люткенс О., Маєвський Ф.М., Марков В.В., Муллер Р.А., Решетов Г.О., Синопальников С.Г., Сушко Є.Т., Шагалов С.Ю., Шнеєр В.Р., Юшин О.І., Яценко В.М. та ін. В основному ці дослідження були спрямовані на рішення трьох задач: визначення розрахункових показників деформацій будівель від підробки, залежності максимального розкриття тріщин у зовнішніх стінах від розрахункових показників деформацій та допустимих показників деформацій будівель з урахуванням їх технічного стану.

Для оцінки впливу підробки на будівлі при плавних деформаціях земної поверхні Муллер Р.А. і Юшин О.І., а потім Варлашкін В.М., Муллер Р.А. і Марков В.В. запропонували розрахункові показники сумарних деформацій, що характеризують подовження стін від розтягу і вигину за кривизни опуклості. Істотним недоліком цього показника є недооцінка впливу кривизни, що згодом обґрунтував Варлашкін В.М. Для оцінки деформованого стану будівель на ступінчасто осідаючій основі було запропоновано два показники сумарних деформацій, які характеризують рівномірний розтяг будівель та перегин їх на уступі за пропозицією Креніди Ю.Ф. або вертикальний зсув за пропозицією Муллера Р.А., Лукіна В.О. і Шнеєра В.Р.

Марковим В.В., Сушком Є.Т. і Яценком В.М. на підставі статистичного аналізу результатів натурних досліджень отримано рівняння взаємозв'язку максимального розкриття тріщин в стінах громадянських будівель з показником сумарних деформацій при розтягу - кривизні опуклості і стиску - кривизні угнутості земної поверхні. Шагаловим С.Ю. і Сінопальниковим С.Г. встановлена залежність максимального розкриття тріщин в стінах виробничих будівель від переміщення основ крайніх фундаментів під колони відносно центра горизонтальних деформацій.

Згідно з дослідженнями Маєвського В.М. і Муллера Р.А. допустимі показники сумарних деформацій громадських будівель визначаються за техніко-економічних міркувань, виходячи з того, що відповідні цим показникам пошкодження завдають збитку, рівного 20-30 % від вартості будівлі. Як критерій допустимих умов підробки виробничих будівель Шагаловим С.Ю. приймається показник, що характеризує допустиме горизонтальне переміщення основи фундаменту, самого віддаленого від центра горизонтальних деформацій.

Однією з основних умов забезпечення безпечної підробки будівель є правильна оцінка їх технічного стану. Для житлових і громадських будівель Решетов Г.О. пропонує її проводити за кількісним виразом усередненого зносу стін всієї будівлі, аналогічно зносу рівномірно зношених стін, застосовуваного у практиці комунального господарства. Стан виробничих будівель оцінюється за класифікаційними ознаками деформацій і пошкоджень конструкцій.

В цілому, методика визначення допустимих умов підробки будівель, що існувала до 2004 р., мала шість головних недоліків: визначення розрахункового показника сумарних деформацій будівель при розтягу і кривизні опуклості земної поверхні без урахування деформацій вертикального зсуву стін; відсутність розрахункового показника сумарних деформацій будівель при стиску і кривизні угнутості; визначення розрахункового показника сумарних деформацій будівель на ступінчасто осідаючій основі шляхом поєднання несиметричної схеми їх перегину або вертикального зсуву на уступі з симетричною схемою розтягу, відповідною плавним деформаціям земної поверхні; визначення розрахункового показника деформацій одноповерхових виробничих будівель без урахування їх висоти і кривизни земної поверхні; відсутність принципу відповідності нормативних допустимих показників деформацій підроблюваних будівель допустимим значенням узагальнених деформаційних критеріїв, що характеризують ступінь впливу підробки; використання різних критеріїв для визначення допустимих показників деформацій будівель і оцінки їх технічного стану.

Відзначені недоліки методики визначення допустимих умов підробки будівель не дозволяють об'єктивно оцінити вплив на них гірничих робіт. Оскільки деформаційна картина підроблюваних будівель не враховує всіх складових деформаційного процесу в умовах впливу гірничих виробок (розтягу, стиску, вигину і зсуву), то прогноз стану будівель при підробці є досить наближеним. Тому у власників і організацій, відповідальних за експлуатацію будівель на підроблюваних територіях, створюється спотворене уявлення про реальний вплив підробки і помилкова думка про її руйнівний вплив. Виходячи з цього, можна зробити висновок, що для об'єктивної оцінки впливу гірничих виробок на підроблювані будівлі необхідне проведення досліджень, результати яких забезпечать оптимальне поєднання безпеки й умов експлуатації підроблюваних будівель з максимально можливим видобуванням вугілля під забудованими територіями.

В другому розділі “Науково-технічна концепція раціональної підробки будівель” обґрунтовано напрямки досліджень та визначено основні положення розроблюваного методу.

Перше положення. Для оцінки деформованого стану будівель при підробці застосовуються нові розрахункові показники сумарних і зосереджених деформацій, що визначаються з урахуванням характеру деформацій земної поверхні (розтяг і кривизна опуклості, стиск і кривизна угнутості, утворення уступу) і розмірів будівель, а також з урахуванням деформацій вертикального зсуву і нерівномірного розподілу деформацій горизонтального зсуву стін при стиску.

Друге положення. Приймається один узагальнений деформаційний критерій, який найкращим чином характеризує ступінь впливу підробки на будівлі, - максимальне розкриття тріщин в зовнішніх стінах max. Допустиме значення [max] визначається на підставі досвіду експлуатації будівель на підроблюваних територіях.

Третє положення. Встановлюється взаємозв'язок узагальненого деформаційного критерію - максимального розкриття тріщин в зовнішніх стінах max з розрахунковими показниками сумарних і зосереджених деформацій l.

Четверте положення. Нормативні допустимі показники деформацій будівель визначаються шляхом рішення рівнянь взаємозв'язку щодо розрахункового показника деформацій при значеннях max, рівних допустимим значенням узагальненого деформаційного критерію - максимального розкриття тріщин в зовнішніх стінах [max] за умов експлуатації.

П'яте положення. Для оцінки технічного стану будівель перед підробкою застосовується новий показник - залишковий деформаційний ресурс, функціонально пов'язаний з критерієм максимального розкриття тріщин. Надійність цього показника обумовлена тим, що технічний стан будівель характеризується тим же узагальненим деформаційним критерієм, за яким визначаються нормативні допустимі показники деформацій.

Шосте положення. З метою зниження трудомісткості виконання проектів підробки гірничими підприємствами вводиться новий деформаційний критерій початкових деформацій земної поверхні для підроблюваних будівель.

В третьому розділі “Аналіз деформованого стану будівель при підробці та узагальнені показники деформацій” розроблено нові деформаційні схеми та визначено розрахункові показники сумарних і зосереджених деформацій підроблюваних будівель.

Деформований стан будівель характеризується узагальненими структурними деформаціями, тобто сумарним розшаруванням стін в стані граничної рівноваги при деформаційних впливах з боку підроблюваної основи (рис. 1). При цьому приймаються допущення: розглядається плоска деформація будівлі в подовжньому або поперечному напрямі; стіни є однорідним ізотропним тілом, що деформується; приймається непорушений контакт фундаменту будівлі з основою, що деформується; застосовується принцип незалежності впливаючих факторів: окремо визначаються структурні деформації горизонтального зсуву, вертикального зсуву і вигину стін, спричинені горизонтальними і вертикальними деформаціями земної поверхні.

Використання принципу незалежності дозволяє оцінити вплив кожного фактора і застосувати для визначального виду структурних деформацій стін поняття чистого зсуву, за якому його площина розташована під кутом 45 до лінії впливу горизонтальних і вертикальних деформацій земної поверхні, а структурні деформації, перпендикулярні площини зсуву, мають екстремальні значення.

На підставі виконаного аналізу розроблено деформаційні схеми, за якими визначено розрахункові показники деформацій будівель: сумарних - за плавних деформацій земної поверхні і зосереджених - за деформацій земної поверхні з утворенням уступів.

За плавних деформацій можливі чотири деформаційні схеми: перша відповідає стану будівель за горизонтальних деформацій розтягу +, кривизни опуклості +K і відношенню l2H, друга - за + +K і l2H, третя - за деформацій стиску -, кривизни угнутості -K і l2H, четверта - за -, -K і l2H.

Рис. 1 Узагальнені структурні деформації будівель: а - від горизонтального зсуву за розтягу земної поверхні; б - від вертикального зсуву за кривизни опуклості; в - від вигину за кривизни опуклості; г - від горизонтального зсуву за стиску земної поверхні; д - від вертикального зсуву за кривини угнутості; е - від вертикального зсуву за утворення уступу

Деформований стан будівель за розтягу земної поверхні характеризується рівномірним горизонтальним зсувом з розшаруванням кам'яної кладки похилими тріщинами. Вплив кривизни опуклості характеризується нерівномірним вертикальним зсувом стіни як балки-стінки і вигином як звичайної балки (лінійної конструкції) з максимальним розшаруванням похилими і вертикальними тріщинами по верху карниза при l2H (рис. 2) і на висоті, рівній напівдовжині будівлі, при l2H.

Рис. 2 Схема для визначення розрахункового показника сумарних деформацій будівель при розтягу і кривизні опуклості

Деформований стан будівель за одночасного впливу - і -K характеризується нерівномірним вертикальним зсувом середньої частини стіни у вигляді трапеції при l2H (рис. 3) або трикутника при l2H та її нерівномірним по висоті обжиманням. При цьому основним фактором, що негативно впливає на будівлю, є вертикальний зсув, який створює умови для реалізації супутнього йому стиску.

Розрахункові показники сумарних деформацій, згідно з розробленими схемами, характеризують розшарування стін похилими і вертикальними тріщинами і визначаються за формулами: для першої схеми ; для другої ; для третьої ; для четвертої .



Рис. 3 Схеми для визначення розрахункового показника сумарних деформацій будівель при стиску і кривизні угнутості: а - вплив горизонтального зсуву; б - вплив вертикального зсуву

За зосереджених деформацій земної поверхні з утворенням уступів можливі три деформаційні схеми будівель в стані граничної рівноваги, залежно від співвідношення довжини уступу під будівлею lу і довжини будівлі l в площині даної стіни, що перетинає трасу уступу. Схеми розроблено за результатами аналізу досвіду підробки і теоретичного узагальнення умов взаємодії будівель із ступінчасто осідаючою основою. Перша схема утворюється при lу0,25l і характеризується структурними деформаціями вертикального зсуву, зосередженими в межах довжини уступу. Друга схема утворюється при 0,25llу0,75l і характеризується структурними деформаціями вертикального зсуву, консольного вигину і стиску, обумовленого концентрацією опору нерухомої основи на ділянці, що примикає до уступу, внаслідок консолювання частини будівлі над уступом. При цьому над уступом утворюється зона зосереджених деформацій завдовжки від 1,8 до 7,8 м, що характеризується компактним розташуванням тріщин. Третя схема утворюється при lу0,75l і характеризується деформаціями вертикального зсуву, прогину і стиску, спричиненого концентрацією опору нерухомої частини основи аналогічно другій схемі. Зона зосереджених деформацій має довжину 1,2-7,0 м і відрізняється місцевим перегином кам'яної кладки на ділянці завдовжки 1-2 м. Сумарні максимальні деформації розшарування кам'яної кладки в зоні зосереджених деформацій, незалежно від схеми деформації, дорівнюють висоті уступу hу.

Фактичний стан будівель при утворенні уступів свідчить про специфічний прояв горизонтальних деформацій: за межами зони зосереджених деформацій тріщини в стінах відсутні або носять випадковий характер, який неможливо пояснити впливом розтягу або стиску, діючого по підошві фундаменту рівномірно уздовж всієї будівлі. За умов взаємодії будівель із ступінчасто осідаючою основою в процесі збільшення уступу вплив горизонтальних деформацій слабшає, причому на початку уступу, де зосереджені горизонтальні деформації досягають максимальних значень, основа відривається від підошви фундаменту і вони на будівлю не впливають. В результаті деформації будівлі на уступі його контакт з основою поступово відновлений, але до цього часу вплив горизонтальних деформацій вже припиниться. Тому як узагальнений показник деформацій будівель на ступінчасто осідаючій основі приймається розрахунковий показник зосереджених деформацій h = hу.

В четвертому розділі “Допустимі умови підробки будівель” розроблено методику визначення допустимих умов підробки житлових, громадських і виробничих будівель.

Для отримання узагальненої залежності максимального розкриття тріщин в зовнішніх стінах житлових і громадських будівель від розрахункового показника сумарних деформацій використані статистичні дані Маркова В.В., наведені в “Правилах охраны ...”, 1981 р. Оброблення цих даних виконано в системі MathCAD і в результаті отримано рівняння регресії для будівель заввишки 1-3 і 4-5 поверхів. Перехід до нових розрахункових показників сумарних деформацій виконано, виходячи з подібності рівнянь взаємозв'язку з новими та існуючими показниками max= f(lж). Оскільки за умовою подібності max=, за допомогою множника подібності =/lж визначено коефіцієнти рівняння для будівель заввишки 1-3 і 4-5 поверхів за формулами і .

Існуюча методика визначення допустимих умов підробки житлових і громадських будівель має істотний недолік, оскільки рівняння взаємозв'язку характеризуються узагальненою висотою 1-3 і 4-5 підроблюваних будівель, а розрахункові показники визначаються з урахуванням їх фактичної висоти. Для приведення у відповідність розрахункових і допустимих показників деформацій розроблено наближену методику визначення рівнянь взаємозв'язку max =f() для будівель висотою від одного до п'яти поверхів (H = 4, 7, 10, 13 і 16 м) шляхом розрахунку коефіцієнтів по інтерполяції і екстраполяції залежно від висоти будівель. За допомогою знайдених коефіцієнтів отримано рівняння взаємозв'язку для будівель висотою від одного до п'яти поверхів (рис. 4) за деформацій розтягу і кривизні опуклості земної поверхні:

,

,

,

,

.

Взаємозв'язок максимального розкриття тріщин з розрахунковим показником деформацій при стиску і кривизні угнутості встановлено, виходячи з подібності рівнянь взаємозв'язку при стиску - кривизні угнутості max,с =f() і розтягу - кривизні опуклості max,р= f().



Рис. 4 Графіки залежності max =f() р за умови =

Виходячи з цього, рівняння взаємозв'язку для будівель висотою від одного до п'яти поверхів при деформаціях стиску і кривизні угнутості відрізняються від рівнянь при розтягуванні і кривизні опуклості розрахунковими показниками.

Емпіричну залежність максимального розкриття тріщин в зовнішніх стінах житлових і громадських будівель від розрахункового показника зосереджених деформацій отримано на підставі узагальнення досвіду їх підробки в Центральному районі Донбасу. За основу прийнято результати досліджень Креніди Ю.Ф. по врізуванню будівель в ступінчасто осідаючу основу і взаємозв'язку розкриття тріщин в стінах з висотою уступу, а також результати спостережень за підроблюваними будівлями Горлівки за архівними матеріалами УкрНДМІ за 1970-2001 рр. Оброблення даних виконано в системі MathCAD і для прийнятої квадратичної залежності максимального розкриття тріщин в зовнішніх стінах max від розрахункового показника зосереджених деформацій hy=hy отримано рівняння регресії для двоповерхових і чотириповерхових будівель:

.

Шляхом інтерполяції і екстраполяції коефіцієнтів цих рівнянь отримано рівняння взаємозв'язку для одноповерхових, триповерхових і п'ятиповерхових будівель:

,

,

.

Для отримання узагальненої залежності максимального розкриття тріщин в зовнішніх стінах одноповерхових виробничих будівель від розрахункового показника сумарних деформацій використано емпіричне рівняння Шагалова С.Ю. і Синопальникова С.Г. для одноповерхових каркасних будівель max,к=0,336ml0-7,1 і співвідношення нормативних допустимих показників горизонтальних деформацій [Сд] н.к для каркасних будівель з показником [Сд] н.н.к для будівель з неповним каркасом і безкаркасних за “Правилами охраны...”, 1981 р.

Виходячи з цього співвідношення, для будівель з неповним каркасом і безкаркасних отримано рівняння max,к=0,448ml0-7,1.

Перехід до рівнянь взаємозв'язку з новими розрахунковими показниками виконано аналогічно житловим і громадським будівлям. При розтягу і кривизні опуклості отримано рівняння для будівель заввишки 6, 9, 12, 15 і 18 м:

- для каркасних будівель

;

- для будівель з неповним каркасом і безкаркасних, , , , (рис. 5). При стиску і кривизні угнутості ці рівняння відрізняються тільки розрахунковими показниками: замість lр.в приймається lс.п.

Рис. 5 Графіки залежності max =f() 1 - Н=6 м, 2 - Н=9 м, 3 - Н=12 м 4 - Н=15 м, 5 - Н=18 м

За допомогою рівнянь взаємозв'язку визначено нормативні допустимі показники сумарних і зосереджених деформацій підроблюваних будівель.

Якщо в рівняннях взаємозв'язку замість max прийняти допустиме максимальне розкриття тріщин [max], а розрахункові показники деформацій житлових і громадських будівель позначити [lж]н, [hу]н, виробничих каркасних [lп.к]н, з неповним каркасом і безкаркасних [lп.н.к]н і вирішити рівняння відносно [lж]н, [hу]н, [lп.к]н і [lп.н.к]н, то отримаємо формули для визначення нормативних допустимих показників деформацій. Чисельні значення [lж]н, [hу]н, [lп.к]н і [lп.н.к]н визначено для всіх розрядів будівель з урахуванням їх поверховості і висоти.

Розроблено методику оцінки технічного стану підроблюваних будівель за їх деформаційним ресурсом. Приймається, що до підробки будівлі мають повний деформаційний ресурс, рівний нормативним допустимим показникам деформацій [lж]н, [hу]н, [lп.к]н або [lп.н.к]н . При первинній і повторних підробках будівлі втрачають свій деформаційний ресурс, тому допустимі показники деформацій [lж], [hу], [lп.к] і [lп.н.к], що характеризують залишковий деформаційний ресурс будівель перед повторними підробками, обчислюють за формулами [lж]=[lж]нkр.ж, [hу]=[hу]нkр.ж і [lп]=[lп]нkр.п, в яких: kр.ж - коефіцієнт залишкового деформаційного ресурсу житлових і громадських будівель, що визначається з урахуванням їх пристосування до попередніх підробок; kр.п - коефіцієнт залишкового деформаційного ресурсу виробничих будівель, що визначається з урахуванням їх пристосування при первинній підробці. Значення коефіцієнтів визначаються за формулами:

,

,

,

де max,ф - фактичне максимальне розкриття тріщин, характерних для майбутньої підробки; lп(0) - розрахунковий показник сумарних деформацій lп.0, відповідний max=0. Функції l(max) і hу(max) обчислюють з використанням рівнянь взаємозв'язку.

Для практичних розрахунків допустимі значення максимального розкриття тріщин [max] в зовнішніх стінах підроблюваних будівель розділені на сім ступенів деформацій, кожній з яких відповідають коефіцієнти залишкового деформаційного ресурсу.

Критерій максимального розкриття тріщин в зовнішніх стінах дозволяє прослідити процес деформування будівель від початку підробки до стану, що регламентується умовами експлуатації. Таким чином, в розробленому методі технічний стан підроблюваних будівель і нормативні допустимі показники визначаються залежно від одного і того ж узагальненого деформаційного критерію - максимального розкриття тріщин. У цьому полягає основна ідея методу прогнозу умов раціональної підробки будівель.

Істотним недоліком умов безпечної підробки є необхідність визначення розрахункових і допустимих показників деформацій для всіх будівель, розташованих в зоні впливу гірничої виробки, незалежно від прогнозованих деформацій земної поверхні. Хоча результати спостережень і теоретичних досліджень показують, що навіть мінімальні деформації, які можуть негативно вплинути на технічний стан будівель, перевищують розтяг =0,510-3, що характеризує межу зони впливу. Виходячи з цього, можна вважати встановленим, що до певних величин деформацій земної поверхні деформації конструкцій не виявляються або не виділяються на загальному деформаційному фоні. Тому, поряд із критеріями впливу гірничої виробки на земну поверхню, встановлені критерії початкового впливу гірничої виробки на будівлі: горизонтальні деформації 0, кривизна K0, висота уступу hу0. Як узагальнений деформаційний критерій, що відповідає початковим деформаціям земної поверхні, приймається максимальне розкриття тріщин в зовнішніх стінах, що характеризує I-й ступінь деформацій, за якого коефіцієнт залишкового деформаційного ресурсу рівний одиниці. Визначено чисельні значення початкових деформацій для житлових і громадських будівель з урахуванням поверховості і виробничих будівель - з урахуванням висоти. Якщо розрахункові деформації земної поверхні не перевищують початкових значень, то підробка будівель може проводитися незалежно від їх технічного стану без визначення розрахункових і допустимих показників деформацій. При цьому відпадає необхідність виконання обстежень будівель і узгодження проектів підробки з власниками або експлуатуючими організаціями.

В п'ятому розділі “Впровадження методу прогнозу умов раціональної підробки будівель” наведено дані про практичне застосування результатів досліджень.

Галузевий стандарт “Правила підробки будівель, споруд і природних об'єктів при видобуванні вугілля підземним способом”, 2004 р. включає такі положення розробленого методу: розрахунковий показник зосереджених деформацій hу; узагальнений деформаційний критерій технічного стану підроблюваних будівель max, допустиме значення якого [max] приймається за умов експлуатації; відповідність нормативних допустимих показників сумарних деформацій значенням [max]; визначення технічного стану будівель за їх залишковим деформаційним ресурсом.

За участю автора розроблено рекомендації за результатами обстеження будівель та споруд м. Жданівки в зоні впливу 6-ї західної лави пласта l6 шахти “Жданівська”, рекомендації про необхідність застосування заходів захисту будівель селища Пролетарське м. Макіївки від впливу 5-ї східної лави пласта шахти ім. С.М. Кірова, проекти підробки будівель та споруд селища Удачне, розташованих в зоні впливу гірничих робіт 5-ї північної лави блока № 2 пласта d4 і 3-ї південної лави блока № 2 пласта d4, а також села Димитрово 2-ою лавою південної панелі блока № 8 пласта d4 шахти “Красноармійська-Західна № 1”, рекомендації до проектів підробки будівель та споруд Донецького металопрокатного заводу 12-ою і 13-ою західними лавами пласта l1 шахти ім. О.Ф. Засядька.

Порівняльний аналіз умов підробки житлових, громадських і виробничих будівель за розробленим та існуючими методами показав, що новий метод характеризується високим ступенем надійності і дозволяє скоротити обсяги трудомістких маркшейдерських робіт.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, у якій вперше дано теоретичне узагальнення і нове рішення актуальної науково-технічної задачі визначення впливу деформацій земної поверхні на підроблювані будівлі та розроблено метод прогнозу умов раціональної підробки житлових, громадських і виробничих будівель на вугільних родовищах.

Основні наукові і практичні результати роботи полягають в такому:

1. Вперше для визначення деформованого стану підроблюваних будівель запропоновано новий критерій узагальнених структурних деформацій розшарування стін, який є універсальним і дозволяє оцінити вплив підробки на будівлі за будь-яких деформацій земної поверхні: розтягу - кривизні опуклості, стиску - кривизні угнутості й утворенні уступу.

2. Розроблено нові деформаційні схеми підроблюваних будівель, які, на відміну від існуючих, враховують відношення довжини будівель до їх висоти, змінні по висоті структурні деформації розшарування зовнішніх стін від вертикального зсуву при кривизні опуклості й угнутості земної поверхні, горизонтального зсуву при стиску земної поверхні, а також - обмеження структурних деформацій розшарування зовнішніх стін по висоті від вигину за кривизни опуклості.

3. Отримано нові формули для визначення розрахункових показників деформацій будівель при плавних деформаціях земної поверхні, які враховують всі складові деформаційного процесу в підроблюваних будівлях, що забезпечує надійність прогнозу їх стану при підробці.

4. Вперше отримано формули для визначення розрахункових показників деформацій будівель при стиску і кривизні угнутості земної поверхні, які дозволяють об'єктивно оцінити зменшення ступеня стиску і кривизни угнутості у порівнянні з розтягом і кривизною опуклості.

5. На підставі аналізу умов взаємодії житлових і громадських будівель із ступінчасто осідаючою основою обґрунтовано розрахунковий показник зосереджених деформацій будівель, що характеризується вертикальним зсувом стін на висоту уступу без урахування горизонтальних деформацій земної поверхні, що відповідає дійсному характеру розподілу структурних деформацій стін при підробці.

6. Встановлено узагальнений деформаційний критерій, який найкращим чином характеризує ступінь впливу підробки на будівлі, - максимальне розкриття тріщин в зовнішніх стінах і визначено залежність цього критерію від розрахункових показників деформацій будівель при плавних і зосереджених деформаціях земної поверхні. На відміну від існуючих узагальнених залежностей для 1-3, 4-5-поверхових житлових і громадських будівель і одноповерхових виробничих будівель незалежно від їх висоти, нові рівняння враховують поверховість і висоту підроблюваних будівель, що поряд з новими розрахунковими показниками сприятиме надійності прогнозу стану будівель при підробці.

7. Розкрито механізм раціональної підробки будівель, який полягає у відповідності нормативних допустимих показників деформацій і технічного стану будівель узагальненому деформаційному критерію максимального розкриття тріщин у зовнішніх стінах.

8. Запропоновано новий показник для оцінки технічного стану підроблюваних будівель - залишковий деформаційний ресурс, функціонально пов'язаний з узагальненим деформаційним критерієм максимального розкриття тріщин в зовнішніх стінах. Для практичного користування розроблено класифікацію ступеня деформацій будівель залежно від максимального розкриття тріщин і визначено коефіцієнти залишкового деформаційного ресурсу, що відповідають ступеню деформацій будівель перед підробкою.

9. Розроблено новий критерій початкових деформацій земної поверхні для підроблюваних будівель. Застосування цього критерію дозволить істотно понизити трудомісткість виконання проектів підробки гірничими підприємствами.

10. Результати досліджень з визначення розрахункових показників зосереджених деформацій житлових і громадських будівель, визначення нормативних допустимих показників сумарних і зосереджених деформацій цих будівель і методику оцінки технічного стану підроблюваних будівель по залишковому деформаційному ресурсу включено до галузевого стандарту “Правила підробки будівель, споруд і природних об'єктів при видобуванні вугілля підземним способом”.

11. Впровадження результатів досліджень при визначенні умов раціональної підробки м. Жданівки шахтою “Жданівська”, селища Пролетарське м. Макіївки шахтою ім. С.М. Кірова, селищ Удачне і села Димитрово шахтою “Красноармійська-Західна № 1” та Донецького металопрокатного заводу шахтою ім. О.Ф. Засядька підтвердило надійність розробленого методу, розширення можливості підробки в зонах стиску і кривизни угнутості земної поверхні, а також - зниження трудомісткості виконання проектів підробки.

12. Техніко-економічна ефективність розробленого методу характеризується забезпеченням безпеки й умов експлуатації підроблюваних будівель при максимально можливому вийманні вугілля. На підставі результатів роботи тільки за останні два роки здобуто близько 3 млн. тонн вугілля під селищем Удачне і територією Донецького металопрокатного заводу без порушення умов експлуатації будівель.

деформаційний будівля тріщина підробка

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Блинникова Е.В. Новые показатели деформаций зданий при подработке // Уголь Украины. - 2006. - № 3. - С. 40 - 43.

2. Блинникова Е.В. Допустимые условия подработки зданий // Уголь Украины. - 2006. - № 7. - С. 43 - 45.

3. Шнеер В.Р., Блинникова Е.В. Рациональная выемка угля под зданиями и сооружениями // Уголь Украины. - 2004. - № 9. - С. 36 - 39.

4. Блинникова Е.В. Совершенствование методов определения допустимых деформаций земной поверхности для подрабатываемых зданий и сооружений // Зб. наук. пр. ДонНТУ: Серія гірничо-геологічна - Донецьк: ДонНТУ, 2003. - Вип. 62. - С. 143 - 148.

5. Ермаков В.Н., Блинникова Е.В., Шнеер В.Р. Повышение надежности прогноза безопасных условий подработки гражданских зданий // Зб. наук. пр. ДонНТУ: Серія гірничо-геологічна - Донецьк: ДонНТУ, 2002. - Вип. 45. - С. 40 - 44.

6. Блинникова Е.В. Основные научные положения рациональной подработки зданий и сооружений на угольных месторождениях // Горная геология, геомеханика и маркшейдерия: Сб. науч. докл. Ч. II. - Донецк, 2004. - С. 386 - 390.

7. ГСТУ 101.00159226.001 - 2003. Правила підробки будівель, споруд і природних об'єктів при видобуванні вугілля підземним способом: Введ. 01.01.2004. - Київ, 2004. - 128 с.

Размещено на Allbest.ru

...