Обґрунтування параметрів урахування старих гірничих виробок на малій глибині для охорони поверхневих об’єктів

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВIТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦIОНАЛЬНИЙ ТЕХНIЧНИЙ УНIВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРIВ УРАХУВАННЯ СТАРИХ ГIРНИЧИХ ВИРОБОК НА МАЛIЙ ГЛИБИНI ДЛЯ ОХОРОНИ ПОВЕРХНЕВИХ ОБ'ЄКТІВ

Спеціальність 05.15.01 - “Маркшейдерія”

ФЕОФАНОВ Андрій Миколайович

Донецьк - 2003 р.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Донецькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України й Українському державному науково-дослідному і проектно-конструкторському інституті гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи (УкрНДМI) Академії наук України м. Донецьк.

Наукові керівники: доктор технічних наук, професор Черняєв Віктор Іванович доктор технічних наук, професор Гавриленко Юрій Миколайович кафедра геоінформатики і геодезії Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України, м. Донецьк.

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор Сидоренко Віктор Дмитрович, проректор по науковій роботі Криворізького технічного університету;

- кандидат технічних наук, доцент Ларченко Віталій Григорович, доцент кафедри “Маркшейдерія, геологія і геодезія” Донбаського гірничо-металургійного інституту.

Провідна установа: Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, кафедра маркшейдерії, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться “12” грудня 2003 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.11.052.05 Донецького національного технічного університету (83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, ауд. 1.201).

C дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донецького національного технічного університету (83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, II уч. к.).

Автореферат розісланий “06” листопада 2003 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради Д 11.052.05, д.т.н., професор .Р. Шевцов

АНОТАЦIЯ

Феофанов А.Н. Обґрунтування параметрів урахування старих гірничих виробок на малій глибині для охорони поверхневих об'єктів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.01 - маркшейдерія. - Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2003.

Дисертацію присвячено питанням зрушення i деформацій земної поверхні над старими гірничими виробками, розташованими на малих глибинах. У роботі формується нове уявлення про проблему старих гірничих виробок на підставі детального аналізу шкідливого їх впливу на земну поверхню. Запропоновано диференціальний підхід до оцінки ступеню їх небезпечного впливу в залежності від типу виробки. Розглянуті фактори, що сприяють активізації (обваленню) залишених виробок. Проведена кількісна оцінка можливих деформацій (провалів, локальних осідань), яка дозволить вибрати відповідні конструктивні заходи захисту поверхневих споруд в місцях розташування старих виробок.

Ключові слова: старі виробки, мала глибина, провали, локальні осідання, впливаючи фактори, ступінь метаморфізму, параметри процесу зрушень, безпечна експлуатація.

АННОТАЦИЯ

Феофанов А.Н. Обоснование параметров учета старых горных выработок на малой глубине для охраны поверхностных объектов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.01 - маркшейдерия. - Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2003.

Диссертация посвящена вопросам сдвижения и деформаций земной поверхности над старыми горными выработками, расположенными на малых глубинах. В работе формируется новое представление о проблеме старых горных выработок на основе детального анализа вредного их воздействия на земную поверхность. Выделены основные формы проявления процесса активизации породной толщи над различными типами старых горных выработок. Определены места их вероятного появления и направления возможного развития на земной поверхности. Выявлены три основные группы факторов, способствующих активизации процесса сдвижения породной толщи над сохранившимися на малых глубинах выработками (пустотами). Между группами сопутствующих и провоцирующих факторов установлена тесная взаимосвязь и совместное проявление. Приведены характерные примеры влияния основных факторов на процесс развития повреждений земной поверхности.

Исследовано современное состояние старых горных выработок по результатам бурения скважин на горизонты их залегания. На основе статистического анализа результатов бурения выявлены закономерности распределения пустот и обрушений в старых очистных и протяженных выработках в зависимости от степени метаморфизма вмещающих пород. Установлены интервалы глубин наиболее вероятного сохранения пустот в районах с различной степенью метаморфизма. С этих позиций определены достаточные глубины бурения скважин для оценки состояния старых горных выработок.

Проведенный анализ прочностных свойств пород приповерхностной зоны показал, что породы верхней части карбона в различной степени теряют свои прочностные свойства с глубиной при переходе из сухого во влажное состояние, что отражается на устойчивости породного массива при затоплении старых выработок.

Доказано на анализе зафиксированных случаев образования провалов на земной поверхности, что применение 80-ти метровой нормативной глубины для оценки степени опасности старых выработок является не вполне корректным. Необходим дифференцированный подход при решении такого рода вопросов, т.к. с увеличением степени метаморфизма уменьшается глубина, с которой возможен выход свода обрушения на поверхность. Предлагается оценивать размеры возможного повреждения (провала) как на поверхности карбона, так и в наносах, исходя из глубины залегания сохранившейся выработки, ее размеров, мощности наносов и их физико-механических свойств.

Рассмотрены различные схемы развития купола обрушения в породном массиве над сохранившейся локальной пустотой в протяженной выработке. Доказано, что любое дополнительное пространство, примыкающее к месту обрушения в выработке, способствует увеличению высоты свода обрушения в толще карбона и увеличивает вероятность его выхода на поверхность с образованием воронки провала. С этих позиций предложены расчетные формулы для определения высоты развития купола обрушения в массиве, исходя из коэффициента остаточного разрыхления пород и возможных схем размещения места обрушения в протяженных выработках и при их пересечении.

Выполненный анализ результатов инструментальных наблюдений за сдвижением земной поверхности позволил установить основные параметры и закономерности процесса сдвижения над старыми очистными выработками. Получены выражения для определения максимальных величин сдвижений и деформаций в зависимости от кратности подработки, угла падения и степени метаморфизма вмещающих пород.

Разработаны рекомендации по учету влияния старых горных выработок при строительстве и планировании на подработанных территориях. Предложенная количественная оценка возможных деформаций (провалов, локальных оседаний) позволит выбирать соответствующие конструктивные меры защиты поверхностных сооружений.

Ключевые слова: старые выработки, малая глубина, провалы, локальные оседания, влияющие факторы, степень метаморфизма, параметры процесса сдвижения, безопасная эксплуатация.

SUMMARY

Feofanov A.N. The substantiation parameters of the account (record-keeping) of old mine workings on a shallow depth for protection of surface objects. - Manuscript.

Thesis for C.Sc. (Tech.) degree by speciality 05.15.01 - Mine Surveying. - Donetsk National Technical University, Donetsk, 2003.

Thesis deals with matters concerning ground subsidence displacements and deformations above abandoned mine workings located at shallow depths. A new idea on the problem of abandoned mine workings is presented based on a detailed analysis of their unfavourable effects on the ground. A differentiated approach is proposed to estimate degree of their hazardous effects depending on the type of mine working. Mining-geological and technogenic factors are considered which contribute to the activization (caving) of abandoned mine workings. Qualitative estimation of possible deformations (gaps, local subsidences), which has been carried out, will allow to select appropriate effective measures to protect surface structures.

Key words: abandoned mine workings, shallow depth, gaps, local subsidence, influential factors, degree of a metamorphism, parameters of subsidence process, safe operation.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Багаторічна відробка вугільних пластів Донбасу привела до підробки великої площі басейну на малих глибинах. Невелика глибина ведення гірничих робіт і, як наслідок, малий гірський тиск, а також повсюдне застосування ціликів для підпори покрівлі сприяли збереженню пустот у виробках старих шахт. За певних умов відбувається заповнення пустот, що залишились, породами й активізація породної товщі. Це приводить до утворення на земній поверхні провалів і локальних осідань, що супроводжуються значними деформаціями. Такі явища зафіксовані практично у всіх гірничопромислових районах Донбасу.

В даний час питання, пов'язані з активізацією зрушень над пустотами на верхніх горизонтах старих шахт, стоять як ніколи гостро. Діюча реструктуризація вугільної промисловості України, коли з експлуатації виключається цілий ряд нерентабельних шахт, приводить до збільшення мережі покинутих гірничих виробок і їхнього затоплення. Це, у свою чергу, збільшує імовірність активізації процесів над виробками верхніх горизонтів у майбутньому. Крім того, земельна реформа вимагає рішення цілого ряду питань як економічного, так і юридичного характеру, пов'язаних з диференційованим підходом у системі оподатковування і грошової оцінки земельних ділянок, підроблених старими гірничими виробками.

Існуючі методи прогнозу зрушень і деформацій земної поверхні не застосовні для старих виробок, що збереглися на малих глибинах. Таким чином, обґрунтування параметрів урахування старих гірничих виробок, що збереглися на малих глибинах, для оцінки ступеня їхньої небезпеки з метою охорони об'єктів поверхні є актуальною науково-прикладною задачею, що має важливе народногосподарське значення.

Зв'язок теми дисертації з планами НДР. Основні результати дисертаційної роботи отримані в процесі виконання НДР (№№ ДР 01900028122, UА01002800Р, 0196U001090, 01910029650, 01910029654, 01910029658, 0196U0251166, 0196U025165) та госпдоговірних робіт, проведених УкрНДМI НАН України з тематики старих гірничих виробок, у яких автор брав безпосередню участь як науковий керівник і як виконавець окремих етапів.

Мета і задачі дослідження.

Мета роботи. Обґрунтування параметрів урахування старих гірничих виробок, що збереглися на малих глибинах, для оцінки ступеня їхньої небезпеки та охорони об'єктів поверхні.

Ідея роботи полягає у використанні особливостей проявів геомеханічних процесів над старими гірничими виробками у залежності від ступеня метаморфізму гірських порід, що вміщають вугільні пласти, і типу гірничої виробки.

Для досягнення мети дослідження були поступово вирішені такі задачі:

- виконано аналіз і узагальнення випадків активізації зрушення і пошкоджень земної поверхні над старими гірничими виробками;

- виявлено форми прояву старих виробок на земній поверхні і фактори, що впливають на процес активізації породної товщі, розташованої над ними;

- досліджено сучасний стан старих гірничих виробок на малих глибинах;

- встановлені основні параметри і закономірності процесів активізації зрушення над старими протяжними й очисними виробками;

- розроблені рекомендації з урахування впливу старих гірничих виробок при плануванні і будівництві на вугленосних територіях.

Об'єкт дослідження - земна поверхня та масив порід над старими гірничими виробками.

Предмет дослідження - умови і параметри деформування земної поверхні у містах розташування старих виробок на малій глибині.

Методи досліджень. При виконанні дисертаційної роботи було застосовано комплекс методів досліджень, а саме:

- цілеспрямований аналіз літературних джерел і архівних матеріалів;

- аналіз результатів буріння свердловин і маркшейдерських спостережень на спостережних станціях;

- узагальнення матеріалів спостережень за зрушенням земної поверхні над старими виробками із застосуванням апарата математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Імовірність збереження пустот у старих очисних виробках у першу чергу залежить від міцності вміщуючих порід, та може бути охарактеризована ступенем їх метаморфізму. Чим вище ступінь метаморфізму, тим більше імовірність збереження пустот. В антрацитових районах при глибинах до 40 м імовірність збереження пустот не перевищує 50%, у діапазоні глибин від 40 до 90 м вона більш 50%, причому при глибинах 50-60 м досягає 78%. При середньому ступені метаморфізму імовірність збереження пустот складає 30-40% у діапазоні глибин 10-40 м. При більшій глибині ця імовірність не перевищує 10-15%. У районах залягання порід зі слабким ступенем метаморфізму старі очисні виробки не представляють небезпеки для земної поверхні, тому що збереження пустот у них малоймовірно.

У протяжних виробках імовірності збереження пустот і заваленого стану виробок приблизно однакові в діапазоні глибин до 90 м.

2. Експериментально встановлено, що зі збільшенням міцності порід (ступеня метаморфізму) максимальні величини усіх видів деформацій при малих глибинах розробки зменшуються. Це пов'язано з великими величинами зависань і розшарувань у масивах міцних порід. Зі зменшенням ступеня метаморфізму порід зменшується міцність шарів, вони сильніше згинаються, більш компактно вписуючись у вироблений простір. Отримані емпіричні залежності максимальних деформацій від кратності підробки, кута падіння шарів і ступеня метаморфізму дозволяють диференційовано підходити до оцінки ступеня ризику для об'єктів поверхні.

3. Ступінь небезпеки старої гірничої виробки залежить від фізико-механічних властивостей породного масиву над цією виробкою, типу виробки, умов її залягання, від провокуючих (зміна міцності гірських порід i напруженого стану масиву, сейсмічний вплив) і супутніх факторів (розміри пустот, міцність порід і ступінь вивітрювання, наявність плікативної і розривної тектоніки).

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій роботи підтверджується:

використанням апробованих методик і апаратури для вивчення фізико-механічних властивостей гірничих порід і деформацій земної поверхні;

аналізом зафіксованих випадків прояву на земній поверхні старих гірничих виробок, розташованих на малих глибинах (80 випадків);

аналізом сучасного стану старих гірничих виробок за результатами буріння 641 спеціальної свердловини на 103 ділянках у різноманітних гірничо-геологічних умовах Донбасу;

великим обсягом експериментальних досліджень зрушень земної поверхні над очисними виробками на малих глибинах (71 маркшейдерська спостережна станція).

Наукове значення роботи полягає у встановленні причин, умов і закономірностей деформування породної товщі над старими гірничими виробками на малих глибинах і у створенні принципово нового підходу в оцінці ступеня небезпеки для земної поверхні старих гірничих виробок.

Практичне значення роботи полягає у використанні запропонованих автором методів аналізу стану гірничого масиву при проектуванні забудови підроблених вугленосних територій.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи. Результати досліджень використані УкрНДМI при виконанні науково-дослідницької роботи, а також складанні обґрунтувань і рекомендацій про можливості будівництва промислових і цивільних будинків над старими гірничими виробками.

Апробація роботи. Зміст роботи і її окремих наукових положень доповідалися й одержали позитивну оцінку на науково-технічних конференціях вузів України “Маркшейдерское обеспечение горных работ” (м. Донецьк, 1993-1998 р.), на міжнародній конференції “Сучасні шляхи розвитку маркшейдерсько-геодезичних робіт на базі передового вітчизняного і зарубіжного досвіду” (м. Дніпропетровськ, 2002 р.), технічній раді ВО “Торезантрацит” (м. Торез, 1995 р.), на науково-технічній раді УкрНДМI (1993-2003 р.), а також на засіданнях кафедри маркшейдерської справи і кафедри геодезії та геоiнформатики Донецького національного технічного університету (1994-2003 р.)

Публікації. По темі дисертації опубліковано 9 друкованих праць, з яких 6 статей у фахових виданнях України.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів і висновку, викладених на 152 сторінках машинописного тексту, у тому числі 48 рисунків i 17 таблиць, а також списку літератури з 128 найменувань i 4 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

гірничий виробка поверхневий споруда

У першому розділі виконано аналіз наукових праць і нормативно-методичних документів, присвячених впливу старих гірничих виробок на деформування земної поверхні, розглянуті історичні передумови збереження великої кількості старих гірничих виробок на верхніх горизонтах шахт, що періодично нагадують про своє існування. Ушкодження земної поверхні у вигляді провалів і значних осідань фіксуються практично у всіх гірничопромислових районах Донбасу і являють загрозу, як поверхневому комплексу, так і життям людей. Історично склалося так, що в першу чергу створювалася методика розрахунку зрушень і деформацій земної поверхні на стадії поточного і перспективного планування гірничих робіт.

Вивченням впливу старих гірничих виробок у Донбасі займалися лише окремі дослідники. Це М.А. Iофис, С.А. Медянцев, В.Д. Пальчик, а пізніше Ю.М. Гавриленко, В.В. Назимко, Ю.Л. Звягильский, А.В. Шиптенко, О.А. Уліцкий.

Проведений аналіз існуючих методів розрахунку зрушень і деформацій над старими виробками дозволив установити, що відсутні чіткі обґрунтовані критерії оцінки ступеня небезпеки старих виробок на малих глибинах. На даний час визначені основні фактори, що сприяють активізації процесу зрушення над старими виробками: осушення або затоплення виробок, ведення гірничих робіт на нижчележачих пластах, надходження поверхневих вод у породні шари, вібрації основ будинків при роботі механізмів та ін. Однак детального дослідження ролі того або іншого фактора на процес активізації породної товщі не проводилося. Відсутні формули щодо визначення розмірів ушкоджень на поверхні. Особливо це актуально для районів із щільною забудовою, де важливо знати не тільки місце утворення можливого провалу, але його розміри в плані, напрямок подальшого розвитку. Дотепер залишається відкритим питання обґрунтованості глибини, у межах якої старі виробки вважаються небезпечними для земної поверхні. Існуючі формули для розрахунків максимальних величин деформацій над старими виробками не достатньо надійні для достовірного результату через малу кількість експериментальних даних, використаних для їхнього одержання. Не ясно, як змінюються максимальні величини деформацій із глибиною і для районів з різним ступенем метаморфізму. Крім того, у випадку активізації зрушення над старими очисними виробками локальні осідання з великими величинами деформацій істотно відрізняються по своїм параметрам від мульд на середніх і великих глибинах. Взагалі відсутні математичні залежності для визначення кутових параметрів мульд над очисними виробками на малих глибинах і невідомо як залежать значення цих параметрів від умов залягання виробок.

В другому розділі описані дослідження причин, умов і форм деформування земної поверхні над старими гірничими виробками в Донбасі. Систематизовано і проаналізовано 80 випадків прояву на земній поверхні старих гірничих виробок, розташованих на малих глибинах. Установлено, що характер ушкоджень поверхні, насамперед, залежить від типу виробки, над якою відбувається зрушення породної товщі.

Найбільшу небезпеку представляють воронкоподібні провали, на частку яких приходиться більш ніж 90% усіх зафіксованих випадків ушкоджень земної поверхні. Вони характерні практично усім типам гірничих виробок. Понад 70% усіх зафіксованих провалів утворилися над лінійно-витягнутими виробками. До них відносяться похилі і горизонтальні виробки, довжина яких у багато разів перевищує ширину і (або) маючи площу поперечного переріза, що не перевищує нормативну для підготовчих і капітальних виробок. Через малий поперечний переріз, у порівнянні з перетином підготовчих виробок, камери і заходки були віднесені у групу лінійно-витягнутих виробок.

Активізація старих вертикальних розкриваючих виробок полягає в обваленні земної поверхні над устями і переміщенні заваленого матеріалу у вертикальному напрямку уздовж осі виробки з утворенням воронки провалу. Розміри її залежать від розмірів виробки в плані, потужності наносів і можуть перевищувати первісні розміри шахтного стовбура. Характерною рисою ушкоджень земної поверхні над старими вертикальними розкриваючими виробками є те, що обвалення, що утворилося на усті, не може збільшуватися нескінченно і залишається “прив'язаним” у плані до устя виробки з утворенням вертикальних стінок у верхній частині провалу.

Небезпека старих похилих лінійно-витягнутих виробок (стовбурів, збійок, бремсбергів, похилів) полягає в утворенні на виходах своїх усть провалів у вигляді воронок, що згодом здобувають форму еліпса, витягнутого уздовж осі виробки по падінню. Основна причина - незадовільне погашення устя або повна його відсутність, а також наявність умов для перепуску заваленого матеріалу в глиб виробки. Відмінною рисою старої похилої виробки є те, що можливо утворення провалів не тільки на усті, але й уздовж осі виробки по падінню. Розміри провалу на поверхні залежать від розмірів виробки (пустоти), потужності наносів і наявності умов для перепуску завалених порід по падінню виробки. Як правило, такі провали мають у плані еліпсоподібну форму і можливий напрямок подальшого розвитку у напрямку падіння виробки.

Провали земної поверхні над старими підготовчими виробками відбуваються при обваленні покрівлі виробок (пустот) або незакріплених порожнин великих обсягів. При наявності умов для перепуску завалених порід на нижчележачі горизонти імовірність виходу зводу обвалення на поверхню збільшується. При цьому на земній поверхні над локальною пустотою утворюються провали круглої форми. Над протяжною пустотою форма провалу, як правило, еліпсоподібна, витягнута уздовж осі виробки і повторює контури виробки на земній поверхні.

Для старих очисних виробок характерні ушкодження земної поверхні двох видів. Як правило, основний негативний вплив старих очисних виробок виявляється в деформуванні земної поверхні й утворенні мульд з різковираженими краями і підвищеними величинами деформацій і зрушень. Ушкодження у вигляді провалів утворюються в тих випадках, коли розміри збереженої очисної виробки (камери) порівняні з розмірами підготовчої виробки.

Усі фактори, спроможні в тім або іншому ступені спровокувати і вплинути на процес обвалення породних шарів, розділено на такі основні групи: фактори, що сприяють збереженню пустот, провокуючи і супроводжуючи фактори.

Фактори, що сприяють збереженню пустот у старих гірничих виробках - це група факторів, які не приймають безпосередньої участі в процесі обвалення породної товщі, однак визначають основу активізації будь-якої виробки - пустоту. На збереження пустот впливають: тип виробки, глибина розробки, застосовуване кріплення, система розробки, спосіб охорони і спосіб ліквідації (погашення) виробки, ступінь метаморфізму порід.

Провокуючі - це такі фактори, що є першопричиною (поштовхом) можливого ушкодження, провокуючи й ініціюючи його розвиток (зміна міцності гірських порід, зміна напруженого стану навколо старої гірничої виробки, сейсмічні впливи). Супутні фактори в більшості випадків виступають у ролі каталізатора або сповільнювача процесу обвалення. Вони природні по своїй суті і первісно закладені в масиві (розміри пустот, міцність і ступінь вивітрювання порід, кут падіння, літологія і потужність шарів, фізико-механічні і фільтраційні властивості, тріщинуватість порід і т.д.). Це більш постійні характеристики для певного породного масиву, що визначають його фізико-механічний стан і відносно повільно позмінюються в часі. Якщо провокуючі фактори, як правило, викликають процес обвалення, то супутні фактори визначають розмах (параметри) можливого ушкодження.

Розроблена класифікація форм прояву старих гірничих виробок є підсумком дослідження характерних ушкоджень земної поверхні над основними типами старих гірничих виробок. Аналіз матеріалів по ушкодженням показує, що при всім різноманітті ушкоджень земної поверхні, їх необхідно розділити на три основні геометричні форми: точкове, лінійне і площинне ушкодження.

Оцінка сучасного стану старих гірничих виробок на малих глибинах була проведена за результатами спеціального контрольного буріння свердловин на горизонти залягання цих виробок. Усього проаналізована 641 свердловина, пробурена на 103 ділянках. З усіх свердловин 72% прийшлися на очисні, 20% - на лінійно-витягнуті виробки і 8% - на цілики. Для узагальнення даних були виділені три групи по ступені метаморфізму порід: низького (марки вугілля Д, Г); середнього (марки вугілля Ж, К, ОС) і високого (марки вугілля Т i А). У цілому велика частина очисних виробок (71%) знаходиться в заваленому стані, але все-таки в 29% випадків зареєстровані пустоти.

Для більш детального вивчення умов зберігання пустот в очисних виробках дані по свердловинам були згруповані по глибинах від 10 до 90 м з інтервалом у 10 м і для кожної такої групи були обчислені відносні частоти виявлення пустот. З огляду на те, що число свердловин у кожній групі різне, були обчислені середні квадратичні відхилення і побудовані довірительні інтервали. У цілому можна вважати, що чим вище ступінь метаморфізму, тим більше імовірність збереження пустот у старих очисних виробках на малих глибинах.

В антрацитових районах при глибинах до 40 м ця імовірність не перевищує 50%. У діапазоні глибин від 40 м до 90 м пустоти зустрічаються частіше, ніж завалений стан виробок, причому при глибинах 50-60 м імовірність збереження пустот досягає 78%. При середньому степені метаморфізму імовірність збереження пустот складає 30-40% у діапазоні глибин 10-40 м. При більшій глибині ця імовірність не перевищує 10-15%. У районах залягання порід зі слабким ступенем метаморфізму зафіксована найнижча імовірність збереження пустот. Тільки в діапазоні глибин 20-30 м вона складає 27%, а в іншому діапазоні досліджень вона не перевищує 10-20%, що цілком можна віднести до похибок ідентифікації результатів буріння. На підставі отриманих даних скоректована глибина урахування старих очисних виробок. Відповідно до приведених даних в антрацитових районах необхідно враховувати очисні виробки до глибини 120 м, у районах середнього метаморфізму - до глибини 50 м, при слабкому метаморфізмі - до глибини 40 м.

У лінійно-витягнутих виробках для районів з різним степенем метаморфізму імовірність збереження пустот і заваленого стану приблизно однакова від поверхні до глибин 90 м.

Тільки в групі низького метаморфізму (ДГ) в інтервалі глибин 40-75 м завалення у виробках зустрічаються в 2 рази частіше, ніж пустоти. Тому всі лінійно-витягнуті виробки, незалежно від глибини залягання i приналежності породного масиву, в якому вони розташовуються, до тієї або іншої групи метаморфізму необхідно розглядати на можливість їхнього небезпечного прояву.

Масив гірських порід над старими виробками або цілком розташовується в зоні вивітрювання, або примикає до неї. Вивчення фізико-механічних властивостей порід у цій зоні практично не проводилось. Тому було виконано дослідження й аналіз міцнісних властивостей порід у верхній частині карбону, їхньої зміни з глибиною, як у сухому, так і у вологому стані. Інтервал глибин, з яких були відібрані зразки для визначення фізико-механічних властивостей, складає від 5 до 87 м. Усі відібрані і опробуванні зразки порід були згруповані по типах порід, по ступені вивітрювання і тріщинуватості. Усього до аналізу прийнято 8 груп порід.

Аналіз міцнісних властивостей приповерхнього масиву показав, що породи в зоні вивітрювання характеризуються значно меншою міцністю, ніж більш глибоко залягаючи шари. При водонасиченні найбільша втрата міцності спостерігається в глинистих породах, що складає від 40 до 70%. У пісковиків втрата міцності при зволоженні менше (від 15 до 38%) і залежить від степеня вивітрювання і тріщинуватості. Міцність вапняків у сухому і вологому стані практично однакова. Міцність пісковиків у діапазоні глибин від 5 до 70 м практично не залежить від глибини як для зразків у сухому, так і у водонасиченому стані. Найбільший зв'язок міцнісних властивостей із глибиною відзначається у слабовивітрілих аргілітів і алевролітів, вапняків і порід зон тектонічних порушень (коефіцієнти кореляції в цих випадках складають 0,25-0,42). Тому додаткове зволоження приповерхнього масиву є основною причиною активізації процесів зрушення, що необхідно враховувати при визначенні рівнів затоплення шахт, що закриваються.

У третьому розділі розглянуті основні схеми утворення обвалень над лінійно-витягнутими виробками: нагромадження завалених порід на почві виробки і перепуск їх на нижчележачі горизонти. При першій схемі велика імовірність підбучення купола обвалення в породному масиві за рахунок розпушення завалених порід. Максимальна висота розвитку купола обвалення визначається розмірами виробки (пустоти) і коефіцієнтом залишкового розпушення завалених порід. При другій схемі завалені породи переміщаються у вільний простір нижчележачіх горизонтів. При цьому велика імовірність його виходу на земну поверхню з утворенням воронок, однак практично неможливо розрахувати висоту розвитку купола обвалення над виробкою.

Аналіз максимальних глибин залягання старих виробок, при яких утворилися провали на земній поверхні, показав, що для районів низького ступеня метаморфізму (марки вугілля Д, Г) можливе утворення провалів від старих виробок, що залягають на глибинах до 160 м. Для антрацитових районів досить оцінювати небезпеку старих виробок в інтервалі глибин до 60 м.

Висота купола обвалення при нагромадженні заваленого матеріалу на почві виробки визначається розмірами виробки (пустоти) і коефіцієнтом залишкового розпушення завалених порід. Будь-який додатковий простір, окрім самої пустоти, для прийому заваленої маси в кілька разів збільшує висоту купола обвалення. З цих позицій найбільшу небезпеку, з точки зору виходу купола обвалення на поверхню, представляють пересічення лінійно-витягнутих виробок, а також камерно-стовпова система відробки очисних виробок. В таких випадках накопичення i розташування заваленого матеріалу відбувається по всім можливим додатковим просторам, примикаючих до місця обвалення.

У четвертому розділі визначені цілі і задачі по уточнюванню й аналізу параметрів процесу зрушення над очисними виробками на малих глибинах для оцінки ступеня їхньої небезпеки для земної поверхні. Вихідними даними для проведення дослідження послужили результати інструментальних спостережень на 71 маркшейдерської станції, що дозволили повніше оцінити і проаналізувати вплив старих очисних виробок, проведених на глибинах до 200-225 м.

Аналіз виконувався для наступних параметрiв зрушення:

- відносна величина максимального осідання;

- граничні кути і кут максимального осідання;

- максимальні величини нахилів, горизонтальних деформацій, кривизни і радіуса кривизни.

Установлено, що при малих глибинах величина відносного максимального осідання складає 60-65% від потужності пласта, що виймається, що на 20-25% менше, ніж для виробок на середніх глибинах. Це свідчить про неповне ущільнення завалених порід з утворенням і збереженням додаткових пустот і незаповнених порожнин, що у наслідку можуть з'явитися причиною додаткових деформацій земної поверхні. Ступінь метаморфізму і кут падіння на малих глибинах не чинять суттєвого впливу на величину максимального осідання породної товщі.

Для визначення розмірів і місця розташування зон можливих активізацій земної поверхні від старих очисних виробок, отримані залежності для визначення кутових параметрів процесу зрушення (табл. 1). Аналіз отриманих залежностей показав, що на малих глибинах кутові параметри більше нормативних як у загальній сукупності даних, так і окремо по кожній групі метаморфізму. Відповідно розміри мульд ушкоджень на земній поверхні від таких виробок будуть меншими.

Зі збільшенням міцності порід (ступеня метаморфізму) відбувається зменшення кута максимального осідання за рахунок збільшення коефіцієнта при куті падіння пласта. При цьому в антрацитових районах зрушення порід відбувається ближче до нормалі до нашарування i, навпаки, у породах слабкого ступеня метаморфізму кут максимального осідання прагне до 90?, що викликає зрушення порід ближче до вертикалі.

Тому що розміри мульди для дрібних лав невеликі, і в багатьох випадках неможливо надійно установити розміри самої очисної виробки, то немає необхідності розраховувати деформації у всіх точках мульди, а досить тільки одержати максимальні значення зрушень і деформацій.

Таблиця 1. Аналіз кутових параметрів процесу зрушення очисних виробок на малих глибинах

Марки вугілля	Число вихідних даних	Коефіцієнт кореляції, %	Залежність від кута падіння
			Отримана	Рекомендована в “Правилах охорони”
Граничний кут з боку падіння в0
Д, Г	7	51	в0 = 65?- 0,24 б	в0 =70?-0,8 б
Ж, К, ОС	9	82	в0 = 89?- 0,98 б	в0 =70?-0,8 б
А, Т	9	59	в0 = 69? - 0,43 б	в0 = 65?-0,8 б
Граничний кут з боку повстання г0
Д, Г	7	32	г0 = 74? + 0.16 б	г0= 70?
Ж, К, ОС	9	46	г0 = 79? - 0.19 б	г0= 70?
А, Т	9	41	г0 = 76? + 0.31 б	г0= 70?+0,2 б
Кут максимальних осідань и
Д, Г	7	87	и = 90? - 0.5 б	-
Ж, К, ОС	18	83	и = 90? - 0.6 б	-
А, Т	13	94	и = 90? - 0.7 б	-

Результати виконаного аналізу максимальних значень деформацій при малих глибинах розробки свідчать про те, що зі збільшенням міцності порід (ступеня метаморфізму) максимальні величини усіх видів деформацій зменшуються (табл. 2). Це можна пояснити тим, що в масивах міцних порід величини зависань і розшарувань більше. Зі зменшенням ступеня метаморфізму порід зменшуються жорсткість шарів, вони сильніше згинаються, більш компактно вписуючись у вироблений простір.

Отримані залежності дозволяють диференційовано підходити до розрахунків максимальних деформацій з урахуванням метаморфізму досліджуваної ділянки.

У п'ятому розділі на підставі виконаних досліджень розроблені загальні принципи урахування старих гірничих виробок у залежності від їхнього типу (очисні, лінійно-витягнуті і виробки з недостовірним контуром). Обґрунтовано глибини контрольного буріння для різних типів гірничих виробок з урахуванням ступеня метаморфізму породної товщі і місця закладення контрольних свердловин. Виходячи з результатів буріння (є пустоти - немає пустот) пропонуються заходи для оцінки ступеня небезпеки підроблених ділянок будівництва. А саме: проведення додаткових бурових робіт, розрахунок максимальних величин деформацій, визначення максимальної висоти поширення купола обвалення, установлення зон можливих провалів і мульд зрушень і т.д., дозвіл будівництва з відповідними конструктивними заходами захисту поза зонами можливих провалів, заборона будівництва в таких зонах або будівництво без заходів у таких зонах за умови ліквідації пустот.

Таблиця 2. Аналіз максимальних значень деформацій земної поверхні

Марка вугілля	Рівняння залежності	Кількість значень	Коефіцієнт кореляції	Середньоквадратичні відхилення
Нахили
А, Т	Ci = 1,39 - 1,08 /	36	0,32	0,74
К, Ж, ОС	Ci = 1,59 - 1,14 /	33	0,53	0,42
Д, Г	Ci = 1,70 - 1,69 /	41	0,32	0,51
Кривизна
А, Т	Ck = 7,05 - 3,87 /	35	0,14	6,5
К, Ж, ОС	Ck = 8,41 - 6,66 /	24	0,51	3,6
Д, Г	Ck=12,13 - 30,38 /	38	0,60	7,8
Горизонтальні деформації
А, Т	Cе = 0,17 + 0,70 /	22	0,58	0,22
К, Ж, ОС	Cе = 0,48 + 0,22 /	19	0,34	0,21
Д, Г	Cе = 0,77 - 0,29 /	26	0,06	0,56

Відзначною рисою розроблених пропозицій є те, що навіть при наявності пустот у старих очисних виробках можливо будівництво з урахуванням деформацій, що можуть бути розраховані по пропонованим формулам.

ВИСНОВКИ

У результаті виконання дисертаційної роботи вирішена актуальна науково-технічна задача, що полягає в обґрунтуванні параметрів урахування старих гірничих виробок на малих глибинах для охорони об'єктів, розташованих на земній поверхні, яка складається у встановленні імовірності збереження пустот у виробках, визначенні максимальних висот розвитку куполу обвалення й оцінці максимальних деформацій земної поверхні в залежності від ступеня метаморфізму порід, що дає можливість введення відповідних конструктивних заходів захисту об'єктів, що проектуються і споруджуються.

Основні наукові і практичні результати полягають у наступному.

1. Основними видами ушкоджень земної поверхні при активізації породної товщі над старими гірничими виробками є провали і мульди локальних розмірів з різко вираженими краями. Провали земної поверхні є найбільш небезпечною формою ушкоджень, тому що приводять до утворення воронок і руйнування поверхневих споруд. Утворення локальних мульд супроводжується підвищеними величинами деформацій земної поверхні в зоні їхнього прояву. При цьому ступінь ушкодження поверхневих об'єктів визначається їхніми конструктивними заходами захисту.

2. Провали на земній поверхні можуть бути круглої або еліпсоподібної форми. Над устями вертикальних виробок або над локальними пустотами лінійно-витягнутих виробок утворюються провали круглої форми. Можливе збільшення первісних розмірів провалів за рахунок додаткового обвалення стінок у наносах. Над устями похилих розкриваючих виробок, а так само над протяжними пустотами лінійно-витягнутих виробок утворюються провали еліпсоподібної форми, витягнуті уздовж осі виробок. Утворення мульд з різко вираженими краями характерно для старих очисних виробок.

3. Ступінь впливу і форма прояву активізації старих виробок на земній поверхні визначається, в основному, типом самої виробки, її станом і умовами залягання. При всім різноманітті ушкоджень їх необхідно розділити на три основні геометричні форми: точкові, лінійні і площині. В основу класифікації ушкоджень покладені геометрична форма і можливі напрямки подальшого розвитку. Необхідна умова активізації процесу зрушення над старими гірничими виробками на малих глибинах - це пустоти, які залишились у виробках та породному масиві. Існують три основні групи факторів, що впливають на розвиток ушкоджень: фактори, що сприяють збереженню пустот, що провокують і супроводжуючі фактори, що проявляються спільно з провокуючими.

4. Аналіз результатів буріння 641 свердловини на 103 ділянках показав, що імовірність збереження пустот у старих очисних виробках у першу чергу залежить від міцності порід, яка може бути охарактеризована ступенем метаморфізму порід. Чим вище ступінь метаморфізму, тим більше імовірність збереження пустот. Очисні виробки у районах малого (вугілля марок Д, Г) і середнього (вугілля марок Ж, К, ОС) ступеня метаморфізму, не представляють небезпеки для земної поверхні, тому що збереження пустот у них малоймовірно. Для груп високого ступеня метаморфізму (вугілля марок А, Т) найбільш небезпечними для земної поверхні є очисні виробки, що залягають на інтервалі глибин 35-90 м, з імовірністю збереження в них пустот до 80%.

5. У лінійно-витягнутих (протяжних) виробках імовірність збереження пустот і заваленого стану приблизно однакова на всьому інтервалі глибин 0-90 м для групи А,Т (50,0% i 50% відповідно) і для групи Ж, К, ОС (45,9% i 54,1% відповідно). Тільки в групі низького метаморфізму (вугілля марок Д, Г) в інтервалі глибин 40-75 м обвалення у виробках зустрічаються в 2 рази частіше, ніж пустоти (66,7% і 33,3% відповідно). Тому протяжні виробки, незалежно від тієї або іншої групи метаморфізму і глибини залягання необхідно ураховувати на можливість їхнього небезпечного прояву.

6. Аналіз міцностних властивостей приповерхнього масиву показав, що в зоні вивітрювання при водонасиченні найбільша втрата міцності спостерігається у глинистих порід, що складає від 40 до 70%. У пісковиків втрата міцності при зволоженні менше (від 15 до 38%) і залежить від ступеня вивітреності і тріщинуватості. Міцність вапняків у сухому і вологому стані практично однакова. Міцність пісковиків у діапазоні глибин від 5 до 70 м практично не залежить від глибини як для зразків у сухому, так і у водонасиченому стані. Найбільший зв'язок міцнісних властивостей із глибиною відзначається в слабовивітрілих аргілітів і алевролітів, вапняків і порід зон тектонічних порушень, але i в цих випадках коефіцієнти кореляції не перевищують 0,25-0,42.

7. Ступінь небезпеки старої гірничої виробки визначається глибиною її залягання. Зі збільшенням ступеня метаморфізму зменшується глибина, з якої можливий вихід обвалення на земну поверхню. Для районів низького ступеня метаморфізму (вугілля марок Д, Г) можливе утворення провалів на поверхні з глибин до 160 м. Для середньої групи метаморфізму (вугілля марок Ж, К, ОС) можливо утворення провалів із глибин до 70 м, а в антрацитових районах - до 60 м.

8. Висота купола обвалення при накопиченні обваленого матеріалу на підошві виробки визначається розмірами виробки (пустоти) і коефіцієнтом залишкового розпушення обвалених порід. Будь-який додатковий простір для прийому обваленої маси в кілька разів збільшує висоту розвитку купола обвалення. З цих позицій найбільшу небезпеку представляють перетинання лінійно-витягнутих виробок, а також камерно-стовпова система відроблення.

9. Результати виконаного аналізу зрушень і деформацій земної поверхні від очисних виробок, розташованих на малих глибинах, свідчать про те, що зі збільшенням міцності порід (ступеня метаморфізму) максимальні величини усіх видів деформацій при малих глибинах розробки зменшуються. Це можна пояснити тим, що в масивах міцних порід величини зависань і розшарувань більше. Зі зменшенням ступеня метаморфізму порід зменшуються твердість шарів, вони сильніше згинаються, більш компактно вписуючись у вироблений простір.

10. Встановлені залежності величин зрушень і деформацій від потужності пустоти, глибини її розташування, кута падіння пласта і ступеня метаморфізму порід, можуть бути використані при оцінці можливостей забудови територій, де є старі гірничі роботи на малих глибинах, при грошовій оцінці нерухомості і при визначенні рівнів затоплення при закритті вугільних шахт.

11. Результати досліджень використані УкрНДМI при виконанні науково-дослідницької роботи, а також складанні обґрунтувань і рекомендацій про можливості будівництва промислових і цивільних будинків над старими гірничими виробками.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ ОПУБЛІКОВАНІ В 9 НАУКОВИХ ПУБЛІКАЦІЯХ, З ЯКИХ 6 - У ФАХОВИХ ВИДАННЯХ УКРАЇНИ

1. Феофанов А.Н. К определению “старые горные выработки” // Уголь Украины. - 1994. - № 12. - С.40.

2. Феофанов А.Н. Влияние гидрогеологических условий на процесс активизации заброшенных горных выработок // Уголь Украины.-1995.-№ 7.-С.39- 40.

3. Феофанов А.Н. Учет тектонической нарушенности при оценке активизации заброшенных выработок // Уголь Украины. - 1995. - № 11. - С. 36-37.

4. Гавриленко Ю.Н., Феофанов А.Н. Оценка современного состояния старых горных выработок на малых глубинах // Известия Донецкого горного института, № 2,-2001.- С.87-91.

5. Гавриленко Ю.Н., Ермаков В.Н., Феофанов А.Н. Прочность горных пород в зоне выветривания карбона // Наукові праці Донецького державного технічного університету, Серія гірничо-геологічна, вип. 45, Донецьк, ДонНТУ.- 2002. - С.152-155.

6. Гавриленко Ю.Н., Ермаков В.Н., Феофанов А.Н. Максимальные деформации земной поверхности над очистными выработками на малых глубинах // Проблеми гірського тиску: Зб. наук. пр. №7. - Донецьк, ДонНТУ.- 2001.- С. 137-150.

7. Феофанов А.Н., Набокова В.В. О необходимости создания кадастра // Материалы IV научно-технической конференции вузов Украины “Маркшейдерское обеспечение горных работ''. - Донецк.-1996.-С.85-87.

8. Феофанов А.Н. Старые горные выработки на малых глубинах: история развития проблемы и ее актуальность // Материалы V Научно-технической конференции вузов Украины. - Донецк: ДГТУ. - 1997. - С. 34-37.

9. Феофанов А.Н., Нестеренко Б.И. Предложения по созданию методики оценки степени опасности заброшенных выработок для земной поверхности // Материалы V Научно - технической конференции вузов Украины. - Донецк: ДГТУ. - 1997. - С. 33-34.

Особистий внесок автора в роботах, опублікованих у співавторстві:

- збір експериментальних даних, обробка й аналіз результатів [4, 5, 6];

- розробка пропозицій до основних положень методики урахування старих гірничих виробок [7, 9].

Размещено на Allbest.ru

...