Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и анализ результатов исследований процесса движения земной поверхности при отработке калийных солей 11
1.1. Состояние вопроса 11
1.2. Геологическое строение месторождения 16
1.3. Горно-геологические факторы 20
1.4. Горнотехнические факторы 22
1.5. Гидрогеологическая характеристика месторождения 23
1.6. Опыт и перспективы применения столбовой системы разработки на Старобинском месторождении 24
1.7. Особенности процесса сдвижения в условиях развития столбовых систем разработки 34
1.8. Выводы по главе 1 37
ГЛАВА 2. Определение закономерностей опускания и предельно допустимых смещений кровли выработки 39
2.1. Характер обрушения и опускания кровли 39
2.2. Проявления и параметры вторичных осадок кровли 44
2.3. Зависимость опускания кровли от скорости подвигайия лавы 52
2.4. Распределение опускания кровли по длине лавы 60
2.5. Определение предельно допустимых смещений кровли выработки до момента ее разрушения 63
2.5.1. Процесс деформаций и разрушения приконтурного массива выработок 63
2.5.2. Анализ результатов расчета смещений проектируемой выработки с предельно допустимыми смещениями кровли 66
2.5.3. Определение устойчивости кровли главных выработок северного направления за пределами подработки Третьим горизонтом 68
2.6. Процесс сдвижения земной поверхности и покрывающей толщи 71
2.7. Выводы по главе 2 75
ГЛАВА 3. Методика прогнозирования сдвижений и деформаций земной поверхности при применении столбовой системы разработки при повторной подработке 77
3.1. Общие положения 7 7
3.2. Определение ожидаемых сдвижений и деформаций при повторной подработке одиночной лавой 78
3.3. Прогноз сдвижений и деформаций земной поверхности 84
3.3.1.Подработка горными работами 3-го калийного горизонта при повторной подработке отдельной лавой в системе смежных лав 2-го калийного горизонта 84
3.3.2. Подработка горными работами 2-го калийного горизонта, при повторной подработке одиночной лавой 3-го калийного горизонта 87
3.3.3. Прогноз сдвижений и деформаций земной поверхности, подработанной горными работами 2-го калийного горизонта, при повторной подработке отдельной лавой в системе смежных лав 3-го калийного горизонта 89
3.3.4. Повторная подработка несколькими отдельными лавами с учетом фактора времени 90
3.4. Методика проведения экспериментальных исследований процесса сдвижения 94
3.4.1. Общие положения 94
3.4.2. Исследования за изменениями превышений в зоне деформаций 94
3.4.3. Инструментальные исследования за изменением расстояний между реперами в зоне деформаций 95
3.5. Выводы по главе 3 97
ГЛАВА 4. Определение ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности при различных вариантах подработки земной поверхности 101
4,1. Повторная подработка земной поверхности системой смежных лав на Третьем калийном горизонте 101
4.2. Повторная подработка земной поверхности системой смежных лав на Втором калийном горизонте 109
4.3. Повторная подработка земной поверхности одиночной лавой Третьего калийного горизонта с учетом фактора времени И 7
4.4. Выводы по главе 4 124
ГЛАВА 5. Построение предохранительных целиков и меры охраны 125
5.1.Построение предохранительных целиков под здания и сооружения 125
5.1.1. Объекты, охраняемые предохранительными целиками 125
5.1.2. Выбор углов, по которым строятся предохранительные целики под объектами 125
5.1.3. Выбор ширины предохранительных берм 125
5.1.4. Построение предохранительных целиков для охраняемых площадок по значениям граничных углов сдвижения 126
5.1.5. Определение углов сдвижения 127
5.1.5.1. Определение углов сдвижения по допустимым деформациям 127
5.1.5.2. Определение углов сдвижения на заданный срок 127
5.2. Меры охраны зданий, сооружений и природных объектов 129
5.2.1. Проект мер охраны 129
5.2.2. Защита стволов стволов и объектов промплощадок 132
5.2.3. Защита гражданских и промышленных зданий 132
5.2.4. Меры охраны сооружений 133
5.2.5. Конструктивные меры защиты железных дорог 133
5.2.6. Защита гидротехнических сооружений и объектов 135
5.2.7. Охрана лесонасаждений и сельскохозяйственных угодий 135
5.2.8. Охрана солеотвалов 136
5.2.9. Охрана автомобильных дорог .136
5.3. Построение предохранительных целиков под охраняемымиобъектами 137
5.3.1. Построение предохранительного целика под городской застройкой 137
5.3.2 Построение постоянного предохранительного целика по углу сдвижения, соответствующему допустимому оседанию для охраняемогообъекта 137
5.4. Выводы по главе 5 140
Заключение 142
Список использованных источников 145
- Геологическое строение месторождения
- Проявления и параметры вторичных осадок кровли
- Определение ожидаемых сдвижений и деформаций при повторной подработке одиночной лавой
- Меры охраны зданий, сооружений и природных объектов
Введение к работе
Одним из крупнейших поставщиков калийных удобрений для сельского хозяйства является РУП «ПО «Беларуськалий» с производительностью по горной массе 23,8 млн. т/год. Рудники представляют собой высокомеханизированные производства, где уровень механизации производственных процессов составляет 95%.
Основными технологическим схемами ведения горных работ в условиях Старобинского месторождения приняты столбовые системы с.двух-слоевой, однослоевой и селективной отработкой калийных пластов. Удельный вес Добычи калийной руды столбовыми системами составляет 85% от общего объема. Применение столбовых систем разработки позволяет повысить извлечение полезного ископаемого из недр и качество добываемой руды по сравнению с камерной.
При подземной разработке месторождений полезных ископаемых на большой площади породы покрывающей толщи над выработанным пространством оседают, вследствие чего на земной поверхности могут образоваться провалы в виде воронок или траншей, трещины, уступы и значительные по размерам впадины (мульды оседания), в которых вертикальные и горизонтальные сдвижения грунта могут достигать нескольких метров.
Подземная разработка калийных месторождений нарушает равновесие массива, вследствие чего в нем возникают зоны повышенных (опорного давления) и пониженных (разгрузки) напряжений, а также участки с интенсивными подвижками и деформациями горных пород (зоны сдвижения), изменяющиеся по размерам и по скорости деформаций и напряжений в ходе развития горных работ и восстановлении равновесного состояния массива.
Под влиянием отработки калийного пласта (его слоя или нескольких слоев) образуется изменяющаяся во времени мульда, размеры которой в .плане определяются размерами и формой выработанного пространства, глубиной ведения работ, углом падения пласта.
За начало процесса сдвижения точки земной поверхности принимается момент прохождения лавы под объектом, либо на кратчайшем расстоянии от него, или дата, когда оседание земной поверхности в рассматриваемой точке составляет 10 мм. За окончание — дата, когда оседание достигает величины, составляющей 85% от конечного расчетного значения, либо, когда скорость оседания в стадии затухания процесса становится менее 10 мм/год.
Результаты исследований показывают, что характер распределения деформаций в зависимости от степени подработанности определяет форму мульды сдвижения. В условиях полной подработки мульда принимает более отчетливую форму, и в общем случае в ней образуется плоское дно. В различных мульдах сдвижения положение участков, соответствующих максимальным деформациям, отличается на величину до 20% от длины краевой части.
При проектировании новых горных выработок или сооружений на земной поверхности меры их защиты от влияния горных разработок принимаются исходя из плана развития горных пород и результатов ожидаемых величин сдвижений и деформаций земной поверхности. Применяемые меры защиты должны обеспечивать возможность отработки полезного ископаемого под населенными пунктами, промышленными предприятиями и путями сообщения при экономически приемлемых размерах затрат на осуществление защитных мероприятий и на ремонт поврежденных объектов.
В настоящее время горнотехнические условия отработки Старобин-ского месторождения калийных солей в установленных границах шахтных полей существенно изменились. Выемка Второго калийного пласта заканчивается. Основные объемы добываемой руды в ближайшем будущем будут поступать с Третьего калийного пласта, глубина залегания которого на 130-190 м больше и достигает 1000 м.
Горные работы приближаются к зонам разломов, краевым зонам блочных структур массива, граничным запасам слоев, областям с магистральными трещинами и микротрещинами. Кроме этого, усилия и активизация геодинамической и сейсмической активности могут быть значительными при выработке 40% начальных запасов и в первую очередь определяются изменением начального естественного напряженного состояния в породной толще.
Поэтому меры охраны зданий и сооружений на участках при вторичной подработке калийных пластов с глубиной залегания до 1000 м, характерной для условий Четвертого рудоуправления РУП «ПО «Беларусь-кал ий», являются актуальными и решают комплекс научно-технических проблем по определению рациональных параметров охранных целиков.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Добыча калийных солей на Старобин-ском месторождении ведется на площади более 350 кв. км. Месторождение разрабатывается подземным способом четырьмя шахтными полями. Основными технологическими схемами ведения горных работ приняты столбовые системы с двухслоевой, однослоевой и селективной отработкой калийных пластов. Калийные предприятия оказывают прямое и косвенное воздействие на земли (ландшафт). Прямое воздействие - изменение облика территории, строительства солеотвалов и шламохранилищ, водохранилищ, промышленных и гражданских зданий, линий коммуникаций и др., т.е. сокращение сельхозугодий и возникновение техногенного ландшафта.
Ведение горных работ может вызвать критические деформации промышленных зданий и сооружений, жилых домов, коммуникаций. Большую опасность также представляет подработка водных объектов-рек, озер, водохранилищ, в результате которой вода через образовавшиеся трещины может проникнуть в горные выработки.
Построение рациональных предохранительных целиков под охраняемыми зданиями и сооружениями производится в настоящее время по результирующим углам, которые не характеризуют комплекс различных пород покрывающей толщи. При этом, в зависимости от значительности охраняемого объекта и его срока службы, размер предохранительных целиков определяется соответствующим граничным углом, углом сдвижения, допустимыми деформациями объектов; углом сдвижения, определяемым критическими величинами деформаций земной поверхности. Однако, при различной физико-механической характеристике наносов и коренных пород для них не может быть одинаковых углов сдвижения. Последнее имеет большое значение, так как глубина ведения горных работ на месторождении меняется от 400м до 1000м и более. В этих условиях пользоваться только результирующим углом 60, полученным для средних глубин 500-600м опасно, т.к. это может привести к существенным ошибкам в расчетах.
В целях рациональной отработки полезного ископаемого и обеспечения оптимального варианта мер охраны подрабатываемых сооружений необходимо пользоваться дифференцированными значениями углов сдвижения и граничных углов с учетом покрывающей толщи. Поэтому, исследования в этом направлении являются актуальными и представляют значительный практический интерес.
Большой вклад в науку о сдвижении горных пород и деформаций земной поверхности внесли ученые: А.Г. Акимов, С.Г. Авершин, Е.В.Бошенятов, В.Г. Борщ-Компониец, В.М. Гудков, И.М.Ершов, В.И. Зе-мисев, М.А. Иофис, А.И. Ильин, СП. Колбенков, Д.А. Казаковский, О.Л.Кульбах, М.В. Короткое, А.Б. Казаков, Д.Д. Казакаев, И.Г. Лисица, А.Н.Медянцев, А.И. Мазурова, Р.А. Муллер, А.Б. Макаров, И.А. Петухов, В.Н. Попов, Л.А. Смирнов, В.Г. Столчнев и многие другие.
Й Цель работы заключается в исследовании деформаций налегающей толщи при повторной подработке земной поверхности, обеспечивающих безопасную эксплуатацию охраняемых объектов предохранительными целиками.
Идея работы заключается в использовании дифференцированных значений углов сдвижения и граничных углов земной поверхности при построении предохранительных целиков под охраняемыми объектами с учетом налегающей толщи. Задачи исследований:
анализ состояния исследований в области сдвижений и деформаций земной поверхности;
выявление закономерности опускания кровли по длине и ширине лавы, по скорости подвигания лавы;
изучение устойчивости выработок в зоне очистных работ;
математическое моделирование деформационных процессов в условиях развития столбовых систем разработок;
разработка методики прогнозирования сдвижений и деформаций земной поверхности при применении столбовой системы разработки с обрушением кровли при повторной подработке земной поверхности;
прогноз сдвижений и деформаций земной поверхности в зависимости от размера очистной выработки и глубины ведения горных работ;
разработка мероприятий по охране зданий и сооружений при повторной подработке земной поверхности;
Методы исследований заключаются в математическом и компьютерном моделировании сдвижений и деформаций при повторной подработке земной поверхности; анализе данных инструментальных наблюдений на основе математической статистики, методе аналогий, аналитической и графической обработки исходной информации процесса сдвижения земной поверхности.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
Установлены методы прогнозирования сдвижений и деформаций земной поверхности при применении столбовой системы разработки при повторной подработке земной поверхности, учитывающие физико-механические свойства наносов и коренных пород;
Разработаны компьютерные модели сдвижений и деформаций земной поверхности, зависящие от времени, прошедшего с момента проходки лавы, от степени подработанности массива и от параметров выработки;
Установлена точка мульды сдвижения - точка максимального варьирования кривых, позволяющая расчетным путем определить ожидаемую границу минимальных оседаний и деформаций;
Разработана методика расчета сдвижений и деформаций земной поверхности при повторной подработке калийных пластов (горизонтов), заключающаяся в том, что ожидаемые сдвижения и деформации земной поверхности от влияния подземных горных выработок определяются в зоне расчетной точки полумульды с учетом величины предельно допустимых оседаний, а также фактора времени.
9 Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
подтверждается корректным использованием теории вероятностей, методами математической статистики, компьютерного и математического моделирования, расчетно-аналитическими методами, экспериментальными исследованиями параметров процесса сдвижения земной поверхности, достаточной сходимостью величин прогнозируемых сдвижений и деформаций земной поверхности с данными натурных наблюдений в пределах 85%.
Научная новизна: установлен характер обрушения и определены закономерности опускания кровли в лаве, установлены параметры сдвижений и деформаций земной поверхности при повторной подработке земной поверхности;
обоснованы сдвижения и деформации земной поверхности при повтор
ной подработке с учетом дифференцированных углов сдвижения и фак
тора времени;
- впервые установлены принципиально новые методические подходы к расчету границ влияния горных работ на земную поверхность и граничных углов при отсутствии данных измерений в зоне сдвижения;
возможность устанавливать местоположение точек с максимальным
оседанием, когда эта точка по данным инструментальных наблюдений
выражена неявно.
Практическая ценность заключается в разработке методики прогнозирования сдвижений и деформаций земной поверхности при применении столбовой системы разработки с обрушением кровли при повторной подработке земной поверхности на глубине до 1000м с учетом налегающей толщи; мониторинга величин сдвижений и деформаций земной поверхности с учетом фактора времени; даны рекомендации по параметрам предохранительных целиков под промышленные площадки и другие особо важные объекты. Установлено, что в целях повышения безопасности их эксплуатации необходимо пользоваться граничными углами: в наносах - 45, в коренных породах - 60.
Реализация работы. Результаты исследований использовались при построении предохранительных целиков под объекты с ограниченными оседаниями земной поверхности и с углом сдвижения, который соответствует допустимому оседанию в условиях Старобинского месторождения калийных солей. Определение предохранительных целиков с учетом поправочных коэффициентов и дифференцированных углов позволяет производить дополнительное извлечение полезного ископаемого из них и получить экономический эффект не менее 200 тыс.у.е. в год.
Публикации, По результатам исследований, изложенных в диссертации, опубликовано 10 статей в международных научно-технических журналах и 2 тезиса к докладам на международных научно-технических конференциях
Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены и обсуждены на семинаре-совещании по обмену опытом за безопасным ведением горных работ и комплексного использования полезных ископаемых на Старобинском месторождении калийных солей (Солигорск, 1997) «Выбор мер охраны подрабатываемых объектов с учетом остаточных деформаций земной поверхности на участках применения камерной системы разработки с жесткими целиками в завершающей стадии процесса сдвижения»; на VI солевом совещании Российской Академии Наук (Соликамск, 2000) «Проблемы формирования и комплексного освоения месторождений солей»; на 5-ой Международной научно-технической конференции (Гомель, 2002) «Прогнозирование процессов сдвижения земной поверхности на 4-ом шахтном поле», «Влияние подземных горных работ на процессы сдвижения земной поверхности», на Международной научно-технической конференции «Материалы, технологии и оборудование для упрочения и восстановления деталей машин» (Новополоцк, 2003) «Материалы, технологии и оборудование для упрочения и восстановления деталей машин».
.*-
Геологическое строение месторождения
Старобинское месторождение калийных солей приурочено к краевой части северо-западной части Припятского прогиба и представляет собой пластовую залежь, слабо осложненную тектоникой. В геологическом строении месторождения принимают участие отложения четвертичного, третичного, мелового и верхнедевонского возраста. Схема расположения шахтных полей представлена на рис. 1.1. На отрабатываемых в настоящее время участках шахтных полей четырех Солигорских калийных рудоуправлений геологический разрез Старобинского месторождения (рис. 1.2) хорошо изучен. Наносы, представленные толщей четвертичных и третичных отложений, имеет общую мощность 100-120м и состоят из разнозернистых песков с редкими, невыдержанными по площади, прослоями глин. Ниже залегают отложения мелового возраста мощностью 14-28м, представленные трещиноватым писчим мелом. Далее залегает доломито - мергелистая толща (ГМТ) верхнего девона мощностью 238-382м, сложенная мергелями и глинистыми доломитами. Мергели в толще имеют слоистую текстуру, а глинистые доломиты слагают прослои мощностью менее одного метра/41/. В доломито-мергел истой толще много кальцита и гипса. Мощность прослоев кальцита и гипса 10-15см. Доломито-мергелистая толща последовательно сменяется толщей мощностью 243-557м, представленной чередованием пластов каменной соли и известняково-доломито-глинистых пород различной мощности. Соленосная толща включает четыре калийных пласта, из которых промышленными являются лишь два - Второй и Третий. Расстояние по вертикали между Первым и Вторым пластами составляет 50-80м, Вторым и Третьим — 130-200м, Третьим и Четвертым — 150-190м/42/. Угол падения пластов на южном крыле месторождения равен 1-2, на северном 5-6. Глубина залегания, площадь распространения и мощность пластов Старобинского месторождения представлена в табл. 1.1 Запасы Первого, Четвертого калийных пластов отнесены к забалансовым из-за низкого содержания в руде хлористого калия, повышенного содержания хлористого магния и нерастворимого остатка. Второй пласт представлен двумя сильвинитовыми слоями - верхним и нижним (мощностью 0,8м и 1,0м, соответственно), разделенными слоями каменной соли мощностью 0,4-0,8м. В пласте имеются зоны замещения сильвинитовых слоев каменной солью. Эти зоны прослеживаются на расстоянии от 1 до 200м. Замещенные зоны располагаются бессистемно. В разрезе Третьего калийного пласта выделяются две сильвинитовые пачки (нижняя и верхняя) и одна карналито-глинистая пачка(средняя).Промышленной является нижняя сильвинитовая пачка, рабочая мощность которой составляет (4,0-4,5) м. Особенностью месторождения является высокая степень рассланцованности пласта и вмещающих пород. Во Втором и Третьем калийных пластах содержится до 50 глинистых прослойков мощностью от нескольких миллиметров до десятков миллиметров. Залегание слоев пород доломито-мергелистой и соленосной толщ спокойное. Соленосные отложения на месторождении подстилаются доломито-ангидритовоЙ толщей верхнего девона. К основным горно-геологическим факторам, относят /43/: мощность вынимаемого пласта и ее колебания, угол падения пласта и его колебания, глубину залегания, обрушаемость и устойчивость пород кровли, зависимость опускания кровли от скорости подвигания лавы, распределение опускания кровли по длине лавы, предел прочности пород почвы на вдавливание, физико-механические свойства рудного массива, геологическую нарушенность пласта, его газообильность, опасность по выбросам и горным ударам, обводненность пласта. Мощность пласта. По вынимаемой мощности калийные пласты Старобинского месторождения можно условно разделить на два диапазона: - первый диапазон - 0,9.. .1,5 м; - второй диапазон - 1,6.. .2,6 м. Эти два диапазона мощностей охватывают подавляющее большинство пластов. Нижний предел вынимаемой мощности (0,9 м) выбран из условия, что для выемки калийных пластов меньшей мощности в настоящее время нет эффективных средств выемки. Верхний предел мощности пластов (2,6 м) обосновывается тем, что количество пластов с большей мощностью незначительно. Отмечается выдержанность мощности калийных пластов в пределах отрабатываемой панели. Таким образом, для Старобинского калийного месторождения характерны тонкие пласты и пласты средней мощности. Угол падения пласта. Залегание калийных пластов Старобинского месторождения относится к пологим. Их угол падения не превышает 3...50. Глубина залегания пласта. Может существенно влиять на величину горного давления и характер его проявления. На площади Старобинского месторождения выявлены и изучены четыре калийных горизонта. Отрабатываются пока два из них - Второй и нижняя промышленная пачка Третьего калийного горизонта. Остальные отнесены к забалансовым из-за низкого содержания сильвинита.
Второй калийный пласт залегает на глубине от 360 до 698 м. Глубина залегания Третьего калийного пласта больше на 130. ..190 м и достигает 900 м. Обрушаемость и устойчивость пород кровли. В зависимости от прочностных характеристик пород непосредственной и основной кровель, их строения, мощности слагаемых слоев и шага обрушения все кровли классифицируются на три класса /44/: легкоуправляемые, среднеуправляемые, трудноуправляемые. Соленосная свита сложена пластами калийной соли, глин, мергелей, доломитов, реже песчаников. В связи с тонкослоистым строением и чередованием однотипных пород по структурной колонке невозможно выделить прочный слой породы, который выполнял бы роль основной кровли/45/. Межслоевые контакты имеют малую прочность, что предопределяет значительную склонность пород кровли к расслаиванию. Коэффициент крепости сильвинита и каменной соли составляет 2-4 по шкале проф. М.М. Протодьяконова, а их предел прочности на сжатие — 26-42 МПа. В соответствии с прочностными характеристиками, строением и характером обрушения кровли калийного месторождения относят к породам средней устойчивости и ко II классу по обрушаемости. Предел прочности пород почвы на вдавливание. Почвы калийного месторождения относят к прочным ( тгд 20 МПа), что практически не ограничивает минимальные размеры опорных элементов крепи. В связи с наличием пропластков глины в почве и при больших опорных давлениях со стороны пород кровли иногда наблюдается вспучивание пород почвы. Физико-механические свойства рудного массива. Калийная руда обладает большой вязкостью, сопротивляемость ее резанию колеблется в пределах А=2,7-4,5 кН/см. Прочность и упругие свойства рудного массива влияют на его относительную деформацию и, в конечном -итоге, на величину опускания пород кровли. Геологическая нарушенность пласта. Для калийных пластов характерными геологическими нарушениями являются мульды и тектонические трещины, которые приводят к повышенной подвижности пород, вызывая значительные осадки кровли и динамические удары. Газообильность пласта. Газообильность пласта предъявляет особое требование к механизированной крепи по фактору проветривания лавы, так как конструктивные размеры крепи определяют свободное сечение для прохода воздуха по лаве. Третий калийный горизонт относится к выбросоопасным и опасным по горючим газам и газопроявлениям. Предполагают, что естественными зонами скопления газов являются мульды, которые, представляют значительную опасность с точки зрения динамического характера проявления горного давления. Обводненность пласта. В силу залегания между водоносным слоем и калийными пластами глинистых пород значительной мощности проникновения воды на отрабатываемые горизонты исключается. при отработке пласта (слоя) относят: схему расположения очистной и вспомогательных выработок в пространстве, порядок отработки лав, длину очистного забоя и выемочного столба, способ охраны подготовительных выработок, способ и величину присечки боковых пород, тип технологического оборудования и схему его расположения в очистной и подготовительных выработках, структуру технологического цикла и последовательность выполнения его операций, режим работы очистного забоя. Схема расположения очистной и вспомогательных выработок в пространстве. На характер проявления горного давления в зоне сопряжений выработок существенное влияние оказывает схема подготовки выемочного поля, то есть взаимное расположение очистной и подготовительных выработок. Состояние пород кровли на сопряжении лавы со штреками осложняется тем, что здесь наслаиваются одна на другую две разноориентировочные системы трещин, образующиеся частично в результате действия опережающего горного давления. Площадь сопряжения складывается из участков штрека впереди и позади лавы, находящихся в зоне опорного давления и испытывающих значительные деформации, а также площади концевых участков лавы, в которых производится обслуживание технологического оборудования. Для системы разработки калийных пластов характерно проведение помимо бортовых выработок, центрального вентиляционного штрека и дополнительных охранных выработок с оставлением целиков. Порядок отработки лав. Порядок отработки лав определяет размеры сопряжений, схему транспортных коммуникаций и структуру организации работ. Для калийных рудников характерен обратный порядок отработки лав с погашением бортовых штреков. Длина очистного забоя. При обработке калийных пластов считается экономически целесообразной длина очистного забоя 150-200 м.
Проявления и параметры вторичных осадок кровли
Шахтные исследования по определению параметров вторичных осадок кровли выполнялись поочередно на центральном сопряжении, на фланговых сопряжениях со стороны массива и со стороны выработанного пространства в двухслоевых лавах.
Анализ стабильности условий проведения наблюдений показал, что из всех основных горно-геологических и горнотехнических факторов только скорость подвигания очистных забоев не была постоянной и изменялась в пределах 1-5 м/сутки. Оценка существенности влияния скорости подвигания лавы на величину опускания кровли показала на наличие зависимости и существенности силы связи между исследуемыми параметрами.
Стабилизация условий проведения наблюдений осуществлялась путем искусственного «выравнивания» скорости подвигания лавы /63,64/. Для этого все циклы очистных работ были приведены к длительности одного самого короткого цикла - 95 и .60 минут на фланговых сопряжениях со стороны массива и со стороны выработанного пространства и 80 минут — на центральном сопряжении. Полученная таким образом приведенная величина опускания кровли представляет собой разность между полным опусканием кровли по реперу и суммой дополнительных опусканий по этому же реперу в каждом цикле в течение простоев лавы, превышающих принятые в самом коротком цикле. Дополнительное опускание кровли за цикл по каждому реперу на расстоянии 4,5 м (на границе призабойного пространства) определялось непосредственно по диаграммам самопишущего деформометра СПШ-72, а на остальных расстояниях (0,2; 0,8; 1,4 и т.д.) с использованием полученных от прибора СПШ-72 значений дополнительных опусканий кровли, считая, что распределение суммы дополнительных опусканий кровли по ширине призабойного пространства происходит по линейному закону.
На рис. 2.4 показаны графики, а в табл.2 Л представлены значения полных и приведенных опусканий кровли на фланговых и центральном сопряжениях. Из табл. 2.1 видно, что после приведения к одной скорости по двигання забоя стандарт распределения (S) уменьшился на всех сопряжениях, а значит условия наблюдений стали более стабильными.
Для проверки случайности расположения элементов в полученных нами выборках приведенного опускания кровли обратимся к рис.2.4 и подсчитаем число скачков (т) вверх и вниз. Результаты проверки представим в виде табл.2.2.
По данным в табл.2.2 Z (T) Z табл. на всех сопряжениях, поэтому может быть принята гипотеза случайного расположения элементов во всех рассматриваемых совокупностях опускания кровли.
На следующем этапе статистической обработки устанавливался закон распределения случайной величины с помощью критерия согласия Пирсона (х2). Исходные данные для расчета и результаты проверки гипотезы представлены в табл.2.3, 2.4, 2.5. Из таблиц видно, что на всех сопряжениях может быть принята гипотеза нормального распределения опускания кровли. Выражения для функций плотности нормального распределения опускания кровли приведены в табл. 2.6. меньше 50%, поэтому в соответствии со схемой статистических исследований по критерию максимальных относительных отклонений Н.В. Смирнова /65/, осуществим проверку принадлежности исследуемым выборкам максимальных значений опускания кровли.
Согласно критерию, крайнее значение выделяется из общей совокупности (является анормальным), если соблюдается условие:где хтах - значение крайнего элемента выборки.
Значения хтах, х и S приведены в табл. 2.1. После подстановки их в формулу (2.1) получаем:- для сопряжения со стороны массива- для сопряжения со стороны выработанного пространства:то есть максимальные значения опускания кровли на фланговых сопряжениях принадлежат исследуемым совокупностям.
На центральном сопряжении проверкой по критерию максимальных относительных отклонений из общей совокупности было выделено 6 анормальных точек со значениями опускания кровли 242, 201, 192, 188, 183 и 175 мм, которые составили отдельную совокупность больших значений, характеризующих периоды проявления вторичных осадок кровли. Все остальные точки составили новую совокупность меньших значений, характеризующих периоды между вторичными осадками.
Параметры совокупностей меньших и больших значений опускания кровли:Функция плотности распределения опускания кровли после выделения анормальных значений и определения параметров обоих совокупностей может быть представлена в виде суперпозиции двух нормальных законов:Значения генерального среднего опускания кровли (а) и относительная точность его определения (уа) вычислялись по формулам:
Определение ожидаемых сдвижений и деформаций при повторной подработке одиночной лавой
Характер распределения на земной поверхности деформаций в определенных горно-геологических условиях существенно зависит от количества очистных выработок, обусловленных образованием мульды сдвижения. Поэтому прогноз ожидаемых сдвижений и деформаций в заданной точке земной поверхности целесообразно производить по определенной расчетной схеме, с соблюдением необходимой последовательности расчета. В начале расчета делаются выкопировки из планов горных работ в определенном масштабе (1:10000; 1:5000; 1:2000), на которых наносят координатные оси в мульде сдвижения над отрабатываемой лавой, согласно расчетной схемы (рис. 3.1-3.2). На основании плана развития горных работ с отображением всех пройденных и проектируемых горных выработок строятся вертикальные разрезы по главным сечениям мульды сдвижения. На разрезах наносят все отработанные и проектируемые участки с указанием времени их отработки, параметров системы разработки и их взаимное расположение. Определяются относительные координаты расчетной точки в краевой части мульды сдвижения на земной поверхности по формулам: где X, Y - координаты расчетной точки земной поверхности (начало координат в точке пересечения главных сечений на внутренней границе краевой части мульды сдвижения); Lx, Ly - длина полумульды, м (размер краевой части мульды сдвижения в ее главных сечениях) в направлении соответствующих осей координат. ПРИМЕЧАНИЕ: В тех случаях, когда расчетная точка располагается в районе плоского дна мульды, (что может быть при Д/Н 1.4) соответствующая относительная координата принимается равной нулю (Zx,y = 0). Длина полу мульды в направлении неполной подработки: Длина полумульды в направлении полной подработки: где Н — глубина ведения горных работ, м. В этих формулах часть мульды, равная Н -ctq 50 располагается в зоне опорного давления и примыкает к границе мульды сдвижения; вторая часть полумульды, равная при неполной подработке Do/2, а при полной -Н ctq P, располагается в зоне разгрузки и примыкает к внутренней границе краевой части мульды сдвижения. Наибольшее оседание земной поверхности (гт)в краевой части мульды сдвижения определяется по формуле: где т- вынимаемая мощность пласта в лаве, м; q0- относительная величина максимального оседания выбирается по табл. 33, Nx Ny - коэффициенты, учитывающие степень подработанности; ( Do/H ) при повторной подработке соответственно в направлении подвигания лавы (ось ОХ) и перпендикулярно подвиганию лавы (ось OY), выбираются по табл. 3.2. На практике Nx =1. 0.1 Do/H 0.5 х, у - расстояние от точки максимального оседания (начала координат) до рассматриваемой точки соответственно в полумульдах в направлении подвигания лавы и перпендикулярно подвиганию лавы; Lx, Lyi - длины полумульд (рис.3.1.) Величины наклонов земной поверхности в любой точке главных сечений мульды сдвижения определяются по формулам: - в направлении подвигания лавы - в направлении перпендикулярном подвиганию лавы Кривизна в любой точке главных сечений мульды сдвижения определяется по формулам: - в направлении подвигания лавы - в направлении перпендикулярном подвиганию лавы Величины горизонтальных сдвижений в любой точке главных сечений мульды определяются по формулам: - в направлении подвигания лавыПримечание: для условий полной подработки в направлении подвига-ния лавы.
Величины сдвижений и деформаций в точках главных сечений мульды сдвижения на земной поверхности определяются по формуле 3.8-3.15. При этом значения коэффициентов Б(гУ, S(z)//, F(z), F(z/ выбираются по табл. 3.6. Относительная величина максимального горизонтального сдвижения выбирается по табл. 3.3.Величины сдвижений и деформаций в точках сечений земной поверхности, параллельных главным сечениям мульды сдвижения определяются по формулам (3.16) и (3.17), значения коэффициентов S(x), S(y) выбираются по табл. 3.6.3.3.3 Прогноз сдвижения и деформаций земной поверхности, подработанной горными работами 2-го калийного горизонта, при повторной подработке отдельной лавой в системе смежных лав 3-го калийного горизонта
Расчет длины полумульды в краевой части мульды сдвижения по главным сечениям производится по формулам (3.18 — 3.20), значения граничных углов в мульде сдвижения принимаются 60 = 50; 50 = 60.Расчет наибольшего оседания земной поверхности в краевой части мульды сдвижения производится по формуле (3.5), значения коэффициентов Nx и Ny выбираются по табл. 3.5. Расчет величин сдвижений и деформаций в точках главных сечений мульды сдвижения на земной поверхности производится по формулам (3.21 - 3.23), значения безразмерных коэффициентов S(z), S(z/, S(z);, F(z), F(z) выбираются по табл. 3.7.Расчет величин сдвижений и деформаций в точках сечений земной поверхности, параллельных главным сечениям производится по формулам (3.24 — 3.27), значения безразмерных коэффициентов S(z), S(z/, S(z)/7, F(z), F(z/ выбираются из табл. 3.7. При определении суммарного влияния отдельных выработок на земную поверхность, а так же при расчете сдвижений и деформаций в сечениях произвольного направления, необходимо учитывать знаки входящих в расчеты параметров и функций. Значения функций S (x) и S;(y) принимаются положительными на соответствующих участках отрицательных абсцисс и ординат (X 0; У 0), и отрицательными - на соответствующих участках положительных абсцисс и ординат (X 0; У 0). (рис.3.3). Знаки наклонов, входящих в формулы для расчетов скручиваний 1х,у и горизонтальных сдвижений для расчета скашиваний ДЛ у принимаются положительными, если они совпадают с направлениями соответствующих осей, и отрицательными - если не совпадают с направлениями осей мульды. При расчете влияния нескольких отдельных выработок необходимо, чтобы оси отдельных мульд имели одинаковое направление. Сдвижения и деформации в произвольной точке земной поверхности за период времени t определяется по формулам соответствующим каждому из условий повторной подработки с умножением их на коэффициент St, определяемый по табл. 3.8 /60,78,79,80/. Наибольшее оседание в мульде сдвижения земной поверхности за период времени t определяется по формуле: где St- безразмерный коэффициент, определяемый по таблице 3.8. Примечание: коэффициент St не учитывает период стадии затухания в процессе сдвижения земной поверхности. Расчет сдвижений и деформаций земной поверхности во времени от влияния отработки нескольких смежных столбов производится отдельно от каждого столба с последующим суммированием величин, обусловленных влиянием отдельных столбов. Сложение соответствующих сдвижений и деформаций в различных мульдах следует производить в последовательности отработки столбов. За окончательные величины ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности принимаются наибольшие из полученных на различные стадии отработки. По окончании процесса сдвижения (St 1) величина оседания и горизонтального сдвижения земной поверхности определяется как от влияния отдельных выработок, так и от влияния выработки суммарного размера, которой соответствует суммарная мульда сдвижения, полученная от влияния нескольких смежных выработок. Ширина выработки суммарного размера определяется как сумма (размеров) лав и междулавных целиков. Оседание в суммарной мульде сдвижения на земной поверхности определяется
Меры охраны зданий, сооружений и природных объектов
Проект мер охраны зданий, сооружений и природных объектов или должен включать в себя: - расчет ожидаемых (вероятных) сдвижений и деформаций земной поверхности на участках расположения охраняемых объектов. При этом указанные величины определяются для всего процесса сдвижения применительно к природным объектам» и за эту его часть, в течение которой подрабатываемые здания и сооружения будут испытывать вли яния горных работ. При отсутствии ВОЗМОЖНОСТИ выполнения расчетов во времени определяются максимальные значения ожидаемых сдвижений и деформаций. - определение расчетных сдвижений и деформаций земной по верхности, которые находятся умножением ожидаемых (вероятных) ве личин на соответствующие коэффициенты перегрузки (табл. 5.2)/74/. - сопоставление расчетных деформаций земной поверхности с допустимыми и предельными для подрабатываемых здании, сооружений и природных объектов и выводы о необходимости разработки для них мер охраны. Допустимыми деформациями земной поверхности считаются деформации, для устранения которых для дальнейшей эксплуагации объектов достаточно произвести ремонтные работы. Предельными деформациями земной поверхности принято считать деформации, превышение которых может привести к аварийному состоянию зданий и сооружений. Принципиальные решения о конструктивных мерах защиты подрабатываемых объектов с указанием сроков их проектной разработки и реализации в натуре, применяются если целесообразных горных мер оказывается недостаточно для уменьшения деформаций земной поверхности до допустимых значений, включают и определение сроков сноса, переноса или строительства нового объекта взамен сносимого (если применение возможных горных и конструктивных мер защиты нецелесообразно или неэффективно). При подработке плотин, дамб шламохранилищ и водохранилищ, построенных из грунтовых материалов, а также естественных береговых валов, выполняющих функцию ограждающих дамб, конструктивные защиты применяются при величине ожидаемых горизонтальных деформаций и растяжений в пределах от 1 до б мм/м. При больших величинах ожидаемых деформаций необходимы горные меры защиты. ПРИМЕЧАНИЯ: 1. Для дамб шламохранилищ и водохранилищ одной из возможных конструктивных мер охраны, применяемой отдельно или совместно с другими, является понижение отметки рассола или воды до безопасного уровня, определяемого проектом мер охраны. 2. Подработка отдельных несложных зданий и сооружений (одноэтажные здания, автодороги, солеотвалы, линии электропередач и т.п.) может производиться на основании соответствующего раздела "Меры охраны подрабатываемых объектов", плана производства на предстоящий год с уведомлением о предстоящей подработке организаций-владельцев подрабатываемых объектов. В указанных мерах должен быть рассмотрен вопрос, и в случае необходимости предусмотрены мероприятия по предотвращению подтопления этих объектов. Горнотехнические меры защиты подрабатываемых зданий, сооружений и природных объектов от вредного влияния горных работ, которые могут применяться в различных сочетаниях, разделяются в зависимости от их назначения на следующие четыре группы (табл. 5.3): I - уменьшающие конечные оседания и деформации земной по верхности, а также скорости их развития в краевых частях мульд в зонах полной подработки; II - уменьшающие неравномерность распределения оседаний и деформаций земной поверхности в зонах полной подработки; III - удлиняющие процесс деформирования земной поверхности и уменьшающие максимальные значения его скоростей; IV - укорачивающие процесс деформирования земной поверхности и уменьшающие неравномерности распределения оседаний и деформаций участками выработанного пространства. Выбор горных мер из числа приведенных в табл. 5.3 должен производиться на основе оценок их технической и экономической эффективности. Горные меры первой группы, поскольку они связаны с дополнительными потерями руд или со значительным удорожанием добычи, должны применяться для защиты наиболее значимых объектов (городов, промлощадок и т.п.). В качестве горной меры защиты стволов и наиболее значимых объектов промплощадок применяется оставление предохранительного целика. Предохранительные целики для объектов промплощадки строятся по граничным углам с оставлением вокруг них предохранительных берм. Размеры предохранительных берм выбираются с учетом допустимых для объектов деформаций и категории их охраны в соответствии с табл. 5.1 /60/. Основными конструктивными мерами, применяемыми порознь или в различных сочетаниях, на которые следует ориентироваться при защите зданий и сооружений от вредного влияния подработки с жесткой конструктивной схемой являются: - разрезка на отсеки в соответствии с размерами зданий, формой в плане, конструктивными особенностями — путём установки парных стен по всей высоте, включая фундаменты и кровлю; - поддомкрачивание отдельных частей здания (отсеков) с целью » выравнивания их надземной части с предварительным подведением распределительных балок и с последующим заполнением бетоном образованных зазоров; - обжатие здания (отсека) с помощью металлических предварительно напряженных тяжей; - подведение под здание (отсек) жесткой железобетонной плиты по грунту в подвальной части и анкеровка её с существующим фундаментом; - устройство связей между фундаментами и стенами; - заделка оконных проёмов кирпичной кладкой или их усиление металлическими рамами; - устройство компенсационных траншей. Для производственных зданий с гибкой конструктивной схемой: - разрезка зданий на отсеки путем устройства деформационных швов с вводом парных колон и стен; - увеличение податливости зданий за счет ослабления связей между несущими элементами конструкций (при условии обеспечения прочности и пространственной устойчивости); - преобразования части жестких узлов в шарнирные; - устройство связей — распорок в фундаментальной части здания; - ввод дополнительных связей между колоннами; - выправление положення в вертикальной плоскости с помощью домкратов; - усиление отдельных перегруженных элементов каркаса;
