Содержание к диссертации
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВО ЛОВ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ 6
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ОБЪЕКТ, СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 13
1.1 Объект исследований 13
1.2 Общая характеристика условий проведения натурных экспериментальных исследований 13
1.3 Анализ работ по тематике исследований 17
1.4 Цель, задачи и методы исследований 19
2 РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ЭФФЕКТИВНОГО ИЗУЧЕНИЯ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД И ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНО СТИ 2І^о
2.1 Методика исследования сдвижения земной поверхности .2 Р
2.1.1 Исследование дискретности процесса сдвижения 21.)
2.1.2 Исследование сдвижений в динамической мульде 271
2.1.3 Исследование сдвижений по изменению рельефа земной поверхности 28 -1
2.2 Методика исследования процесса сдвижения горных пород 33 1
2.2.1 Исследование сдвижений толщи наносов 33 Л
2.2.2 Исследование сдвижений горного и закладочного массивов 36 Є
2.2.3 Исследование сдвижений в зоне изгиба 43 "
2.3 Методика исследования развития зоны водопроводящих трещин в подрабо танном массиве горных пород 44 і
2.3.1 Исследование развития зоны водопроводящих трещин в коренных породах 46 Ь
2.3.2 Исследование состояния водозащитного экрана из глинистых грунтов. 48т
2.4 Конструкции специальных стендов при моделировании геомеханических процессов с использованием эквивалентных материалов 521
2.4.1 Стенд для моделирования сдвижений на контакте коренных пород и наносов 52 1
2.4.2 Стенд для моделирования сдвижений в динамической мульде 54 /;-
2.4.3 Стенд и устройство для моделирования сдвижений при закладке выработанного пространства 56'
2.4.4 Плоская модель для исследования сдвижений при большой глубине разработки 60 ^
3 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДО ВАНИЙ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ПОДРАБОТКЕ 62Q
3.1 Исследования процесса сдвижения земной поверхности при разработке пла стов с полным обрушением кровли 62 ^'
3.1.1 Сдвижение земной поверхности при бесцеликовой отработке пластов длинными столбами по падению 62 &1
3.1.2 Оценка: варьирования положения характерных точек- в мульде сдвижения. — 67 сй
3.1.3 Исследование разрывных деформацийземной поверхности. 71 ?-о
3.1.4 Исследование неравномерных составляющих деформаций земной поверхности. 75 ";
3.1.5 Исследование деформаций в динамической мульде 78 г
3.2 Исследование процесса сдвижения горных пород при выемке угля камера ми и с закладкой выработанного пространства 83
3.2.1 Исследование процесса сдвижения горных пород при камерной выемке угля ..83
3.2.2 Исследование процесса сдвижения горных пород при закладке вырабо танного пространства. ... 87
3.3 Исследование развития зоны водопроводящих трещин в подработанном массиве горных пород 93
3.3.1 Опыт отработки пластов под водными объектами 93
3.3.2 Экспериментальное определение высоты зоны водопроводящих трещин в коренных породах 98
3.3.3 Оценка состояния водозащитного экрана из глинистых грун тов 107
3.3.4 Опытно-промышленная проверка состояния водозащитного экрана из глинистых грунтов. 116
3.3.5 Безопасные условия разработки угольных пластов под водными объекта ми 122
3.4 Затопление и подтопление подрабатываемых территорий 126
4 МЕТОДЫ ПРОГНОЗА СДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ^ БЕЗОПАСНОЙ ГЛУБИНЫ РАЗРАБОТКИ ИОД ВОД НЫМИ ОБЪЕКТАМИ И ЗАТОПЛЕНИЯ ТЕРРИТОРИЙ.. 131
4.1 Исходные данные и условия применения методов расчета 131
4.2 Расчет ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхно сти. 132
4.3 Расчет вероятных деформаций земной поверхности при погоризонтной отработке свиты пластов. 134
4.4 Расчет эффективной мощности пластов при различных системах разработки, и способах управления горным давлением ; 137
4.5 Построение гипсометрических планов подработанных пластов. 139
4.6 Прогноз безопасной глубины разработки угольных пластов под водными объектами. 143
4.7 Прогноз затопления; земной поверхности при разработке угольных пла стов. 146
5 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ РАЗРАБОТКИ ПОЛОГИХ УГОЛЬ НЫХ ПЛАСТОВ ПОД ВОДНЫМИ ОБЪЕКТАМИ; 149 ^
5.1 Камерная система с устойчивыми целиками и пролетами ка мер. 149
5.2 Расчет параметров разрушающихся междукамерных целиков.. 152
5.3 Системы разработки с закладкой выработанного пространства 156
5.3.1 Выбор закладочного материала и расчет допустимой усад ки 156
5.3.2 Определение прочности закладочного массива в шахтных условиях 161
5.3.3 Параметры разработки сближенных пластов у геологического нарушения 164
5.3.4 Закладка полостей расслоения 166
5.3.5 Закладка выработанного пространства материалами с различными компрессионными свойствам 167
5.4 Параметры разработки при рациональном планировании горных ра бот 172
5.4.1 Оптимальные параметры разработки свиты пологих пластов 172
5.4.2 Планирование горных работ у криволинейной границы предохранительного целика 176
6. СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ СДВИЖЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД И ВОДОПРИТОКАМИ В ВЫРАБОТКИ 180 в-3
6.1 Способы управления процессом сдвижения горных пород 180
6.1.1 Уменьшение деформаций борта карьера при комбинированной разработке 180
6.1.2 Предупреждение оползания склона при подработке 182
6.1.3 Управление деформациями глинистых грунтов водозащитного экрана.. 184
6.2 Управление деформациями пород оптимальной скоростью очистной выем ки 187
6.2.1 Дегазация сближенных пластов и выработанного пространства 188
6.2.2 Дегазация пластов при восходящем порядке разработки 188
6.2.3 Обеспечение оптимальной скорости отработки мощных пологих, склонных к самовозгоранию пластов 192
6.2.4 Обеспечение оптимальной скорости очисткой выемки за счет безремонт ного поддержания выработок 195
6.3 Обеспечение безопасных условий подработки вертикальных сква жин 198
6.3.1 Закономерности искривления вертикальных скважин 198
6.3.2 Построение опасных зон у буровых скважин 201
6.3.3 Способы тампонажа погашенных буровых скважин 203
6.3.3.1 Тампонаж скважин из горных выработок ...v.203 - v
6.3.3.2 Тампонаж скважин расширяющейся при твердении композици ей 203
6.3.3.3 Тампонаж скважин из водоема на поверхности 206
6.4 Способы управления водопритоками в действующие выработки 208
6.4.1 Откачка воды через вертикальные скважины с поверхности 208
6.4.2 Спуск воды через наклонно-восстающие скважины 210
6.4.3 Уменьшение притока воды в горные выработки из обводненных пород 212
6.4.4 Подработка обводненых пород и затопленных выработок без предварительного осушения 213
6.4.5 Уменьшение притока воды в очистные забои при разработке свиты пла стов под затопленными выработками 216
7 МЕРЫ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ ЗАТОПЛЕНИЯ И РАЦИОНАЛЬНО МУ ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ПОДРАБОТАННЫХ ПЛОЩАДЕЙ 220 І ;
7.1 Меры по предотвращению затопления застроенных территорий 220
7.1.1 Предотвращение затопления территорий на границе отработки угольных пластов 220
7.1.2 Дренаж грунтовых вод 222
7.1.3 Дренаж грунтовых и сбор поверхностных вод 223
7.1.4 Дренаж вод в глинистых грунтах 226
7.1.5 Предотвращение затопления территорий при подработке дамб 228
7.1.6 Использование грунтовых вод для нужд шахтного водоснабже ния 230
7.2 Мероприятия по рациональному использованию затапливаемых при подра ботке площадей 232
7.2.1 Создание искусственных водоемов 232
7.2.2 Восстановление нарушенных подработкой земель 236
7.2.3 Размещение плоских породных отвалов 238Г,./,---
ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ..241
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .247
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 250
ПРИЛОЖЕНИЯ 263
Приложение А 263
Приложение Б 275
Введение к работе
Актуальность работы. Подземная разработка угля в сложных гидрогеологических и горно-технических условиях при значительной застроенности угленосных площадей и возрастающих требованиях к охране окружающей среды вызывает необходимость более полного и качественного прогнозирования геомеханической ситуации при ведении горных работ под водными объектами.
Подработка водных объектов, к которым относятся естественные водотоки, водоемы и гидротехнические сооружения на земной поверхности, а также различного рода аккумуляторы подземных вод, в том числе и затопленные горные выработки, связана с решением проблемы предотвращения внезапных прорывов воды в действующие горные выработки и рационального использования подтапливаемых за счет изменения рельефа площадей.
Наибольшую опасность при разработке угольных пластов под водными объектами представляют внезапные прорывы воды в горные выработки, возникающие при недостаточной мощности разделяющей толщи горных пород. В ряде случаев недопустимыми являются значительные притоки воды в горные выработки, способные существенно осложнить технологию подземной добычи угля. Внезапные прорывы воды и повышенные водопритоки в горные выработки способны создать аварийную ситуацию, что недопустимо с позиции обеспечения безопасных условий труда подземных рабочих. Ликвидация последствий аварий и возрастающие затраты на шахтный водоотлив требуют определенных материальных затрат и наносят серьезный ущерб экономике угледобывающих предприятий.
При разработке свиты угольных пластов существенные изменения претерпевает рельеф земной поверхности за счет формирования мульд сдвижения с нарушением природных условий водного стока. Замкнутые мульды сдвижения заполняются поверхностными и подземными водами, а прилегающие к ним территории испытывают подъем уровней грунтовых вод, что резко ухудшает условия землепользования и приносит материальный ущерб народному хозяйству.
В связи с наличием большого количества водных объектов, разнообразием гидрогеологических условий шахтных полей и горно-технических условий выемки свиты пологих угольных пластов возрастает роль маркшейдерско-геомеханического обоснования рациональных способов ведения горных работ и технических мероприятий, способствующих значительному снижению деформаций массива горных пород и земной поверхности при максимальном извлечении запасов угля из недр и эффективном использовании подработанных территорий. Этим обуславливается актуальность и необходимость решения крупной научной проблемы маркшейдерско-геохимического обоснования разработки свиты пологих пластов под водными объектами.
Актуальность работы подтверждается непосредственной связью с исследованиями, выполненными в рамках научно-исследовательских программ по проблемному плану АН СССР на 1976-80 гг. (работа 020502, № ГР 76028075), в соответствии с Целевой комплексной программой № 20 Минуглепрома СССР тайного массива горных пород и высоту зоны водопроводящих трещин до величин, оцениваемых по эффективной мощности пластов.
2. При определении безопасной глубины разработки на основе расчета деформаций горных пород и их сравнения с допустимыми для основания водного объекта значениями необходимо учитывать сосредоточенные (разрывные) деформации и суммирование деформаций при погоризонтной отработке сближенных пластов, с выделением наиболее влияющего пласта свиты.
3. Состояние водозащитного экрана в основании водных объектов при подработке зависит от числа пластичности и показателя консистенции слагающих его глинистых грунтов. Грунты с большим числом пластичности и более высоким показателем консистенции способны претерпевать существенно большие деформации без разрыва сплошности.
4. Управление водопритоками в горные выработки при подработке аккумуляторов подземных вод возможно осуществлять определенным режимом и последовательностью ведения очистной выемки с использованием разработанных технических мероприятий.
5. Подрабатываемые территории с высоким уровнем грунтовых вод долинного типа возможно рационально использовать путем выполнения специальных мер, предусматривающих подземный дренаж грунтов на застроенных территориях, отвод поверхностных вод из мульд сдвижения, создание искусственных водоемов и размещение плоских породных отвалов.
6. Для изучения процесса сдвижения массива горных пород и земной поверхности, развития зоны водопроводящих трещин, оценки состояния водозащитного экрана из глинистых грунтов, определения условий затопления подрабатываемых территорий можно эффективно использовать методики натурных и лабораторных исследований с использованием предложенных способов и устройств.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: представительным объемом экспериментальных исследований в натурных условиях и на физических моделях из эквивалентных материалов; соответствием прогнозируемых сдвижений и деформаций горных пород и земной поверхности и высоты зоны водопроводящих трещин их измеренным величинам в шахтных условиях; анализом и обобщением обширных натурных наблюдений; большим долголетним и положительным опытом проверки методов прогноза сдвижений и деформаций горных пород, безопасных условий подработки водных объектов и условий подтопления подработанных площадей на шахтах; удовлетворительной сходимостью теоретических результатов и экспериментальных данных; положительными результатами промышленных экспериментов; широкой апробацией рекомендаций и предложений автора в рамках основных нормативных и методических документов.
В работе изучены следующие новые научные результаты.
1. Разработана методика исследований, использование которой дает возможность установить развитие неравномерных деформаций земной поверхности, зоны водопроводящих трещин в подработанном массиве горных пород и на земной поверхности, определить условия затопления подработанных территорий грунтовыми водами.
2. Определены безопасные глубины разработки пласта под водными объектами и разработана методика расчета безопасной глубины для свиты угольных пластов с учетом оптимального смещения границ очистных работ в пластах, погоризонтной отработки и дискретного характера процесса сдвижения горных пород.
3. Установлены новые закономерности деформирования водозащитного экрана из глиниєтьіх грунтов, экспериментально определены предельно допустимые величины растяжения пластичных глин и суглинков без образования в них трещин разрыва. Обоснована предложенная модель прорыва воды через водозащитный экран, учитывающая пластическое течение грунта в полости вывала коренных пород над горными выработками. На этой основе безопасные условия подработки водных объектов при наличии водозащитного экрана предложено определять с учетом числа пластичности и показателя консистенции грунтов.
4. Разработаны методы расчета параметров систем разработки при различных способах управления горным давлением, базирующиеся на результатах экспериментальных исследований и позволяющие обоснованно планировать безопасное ведение горных работ под водными объектами с максимальным извлечением запасов из недр.
5. Обоснованы способы управления процессом сдвижения горных пород и водопритоками в горные выработки для широкого спектра горно-геологических и горнотехнических условий подработки водных объектов.
6. Обобщены условия затопления подрабатываемых территорий и предложены мероприятия по их рациональному использованию путем отвода поверхностных и дренажа подземных вод, устройства искусственных водоемов, восстановления нарушенных площадей и размещения плоских породных отвалов в мульдах сдвижения.
Научное значение работы состоит в совершенствовании маркшейдерско-геомеханического обоснования рациональных способов извлечения запасов угля под водными объектами и использования нарушаемых при подработке земель, необходимого для планирования горных и рекультивационных работ.
Личный вклад автора состоит в организации и непосредственном участии в разработке методики комплексных исследований, проведении экспериментальных и аналитических исследований, разработке схем и установлении закономерностей процесса сдвижения горных пород и развития зоны водопроводя-щих трещин, разработке специальных способов уменьшения водопритоков в горные выработки, предотвращения затопления и рационального использования подработанных площадей, теоретическом обобщении и обосновании всех защищаемых научных положений.
Практическая ценность работы.
Внедрение в практику подработки водных объектов положений, рекомендаций и расчетных методик диссертационной работы:
- позволяет обоснованно решать вопросы выбора горных и горнотехнических мероприятий, расчета их параметров в соответствии с конкретными уело виями подработки водных объектов, характером и интенсивностью влияния очистных работ;
- обеспечивает безопасность подземных горных работ, позволяет обоснованно производить выбор мер по предупреждению внезапных прорывов воды и обеспечению допустимых водопритоков в горные выработки;
- приводит к более полному извлечению запасов угля из недр и рациональному использованию подработанных территорий.
Реализация работы.
Результаты исследований получили реализацию в учебных пособиях, нормативных и методических документах, проектах, рекомендациях и заключениях по конкретным объектам (см. раздел «Внедрение результатов исследований»).
Подтвержденный экономический эффект по объектам, где осуществлялся авторский надзор, составил около 1,2 млн. тенге в год. Использование разработанных с участием автора нормативных и методических документов обеспечивает ежегодную расконсервацию под водными и другими охраняемыми объектами около 200 тыс.тонн угля. Внедрение рекомендаций по погашению нерентабельных шахт позволило избежать значительного ущерба в хозяйственной деятельности Республики Казахстан.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили одобрение на: научно-технических совещаниях в Министерстве угольной промышленности СССР, ПО «Карагандауголь» и угольном департаменте ОАО «Испат-Кармет», ГПИ «Карагандагипрошахт» и ОАО «Карагандагипрошахт и К», секциях Ученого совета ВНИМИ (Ленинград); НТС Казахского филиала ВНИМИ и Казахского научно-исследовательского института горной механики и маркшейдерского дела КазНИМИ (Караганда); научно-технических конференциях Карагандинского политехнического института (1983, 1984, 1986, 1987, 1988 и 1989гг.); научно-технической конференции молодых учёных и специалистов угольной промышленности (Караганда, 1975г); IV Всесоюзном межведомственном координационном совещании по проблеме «Проведение исследований и разработка методов расчета и конструктивных решений зданий и сооружений, возводимых на просадочных грунтах и подрабатываемых территориях (Ворошиловград, 1977 г.); Всесоюзной научно-технической конференции «Исследование, прогноз и контроль проявления горного давления» (Ленинград, 1982г.); встрече специалистов по вопросу «Совершенствование нормирования, определения и учета и разработка мероприятий по снижению потерь полезных ископаемых при их добыче» (Москва, 1983 г.); Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы разработки мощных пологих и наклонных угольных пластов подземным способом» (Караганда, 1984г.); Всесоюзном научно-техническом совещании «Научно-технические проблемы повышения эффективности работ и совершенствования маркшейдерской службы на горных предприятиях страны» (Свердловск, 1984 г.); Выездном заседании НТС Минуг-лепрома СССР (Караганда, 1985 г.); территориальной научно-технической конференции «Проблемы разработки мощных и наклонных пластов угля подземным способом» (Караганда, 1987 г.); Всесоюзном семинаре «Технология разра ботки мощных угольных пластов» (Новосибирск, 1988 г.); Региональной конференции «Экологические проблемы Центрального Казахстана» (Караганда, 1989 г.); Областной научно-практической конференции «Наука- производству» (Караганда, 1990 г.); Международной конференции «Проблемы развития угольной промышленности Республики Казахстан» (Караганда, 1993 г); Международных конгрессах по маркшейдерскому делу (Ленинград, 1988 г.; Сидней 1998г); Научно-технических конференциях Карагандинского технического университета (1999,2000,2001 гг.)
Публикации. Основные положения выполненных исследований изложены в 77 печатных работах, в том числе 50 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РК для докторских диссертаций, включая монографию и 25 авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, 2 приложений, изложена на 274 страницах машинописного текста и содержит 106 рисунков, 37 таблиц, список литературы из 184 наименований.
Похожие диссертации на Маркшейдерское обоснование разработки свиты пологих угольных пластов под водными объектами
