Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обобщение опыта подработки водных объектов. анализ горно-геологических параметров яковлевскгого месторождения 10
1.1 Исследование общего механизма образования водопроводящих трещин 11
1.2 Способы определения высоты зоны водопроводящих трещин 13
1.3 Метод прогнозирования высоты зоны водопроводящих трещин 18
1.4 Оценка параметров зоны водопроводящих трещин при разработке железорудных месторождений 21
ГЛАВА 2 Рассчет величин прогнозных углов сдвижения в условиях яковлевского месторождения с учетом неоднородности подрабатываемой толщи 24
2.1 Геологическое строение месторождения 24
2.1.1 Геологическая характеристика осадочной толщи 24
2.1.2 Геологическая характеристика пород кристаллического фундамента 28
2.1.3 Гидрогеологическая характеристика месторождения 29
2.1.4 Обобщённая геологическая и гидрогеологическая модель месторождения 31
2.2 Общие положения для прогноза зоны сдвижения 32
2.2.1 Определение углов сдвижения в рудовмещающих породах 34
2.2.2 Построение прогнозных углов сдвижения в перекрывающих породах 41
2.2.3 Определение границы зоны опасных сдвижений и деформаций 43
ГЛАВА 3 Исследование взаимосвязи параметров зоны сдвижений и деформаций 48
3.1 Подземная наблюдательная станция 49
3.1.1 Локальная подземная наблюдательная станция 54
3.1.2 Принцип получения вертикальных смещений (оседаний) и деформаций кривизны из периодических нивелировок глубинных реперов. 55
3.1.3 Схемы локальных подземных станций с учетом принципа «трех скважин» 57
3.1.4 Инструментальные наблюдения на локальных подземных станциях 61
3.1.5 Контроль опорных реперов 63
3.1.6 Анализ данных мониторинга на подземной наблюдательной станции 66
3.2 Поверхностная наблюдательная станция 73
3.2.1 Конструкции поверхностных реперов 74
3.2.2 Анализ данных поверхностного мониторинга 75
3.3 Определение вида зависимости основных параметров сдвижения 77
3.4 Учет слоистости подработанной толще при оценке распределения кривизны в подработанной толще 82
ГЛАВА 4 Расчет высоты зоны водопроводящих трещин с учетом свойств подработанного массива и обоснование эффективности использования разработанной методики 90
4.1 Переход от граничной кривизны к граничной горизонтальной деформации 90
4.2 Определение верхней границы зоны водопроводящих трещин по данным наблюдений за сдвижением глубинных реперов 98
4.3 Вывод зависимости граничной горизонтальной деформации от содержания глинистых пород в подрабатываемой толщи. 100
4.4 Оценка высоты распространения зоны водопроводящих трещин с учётом физико-механических свойств пород 101
Заключение 111
Список литературы 113
- Метод прогнозирования высоты зоны водопроводящих трещин
- Общие положения для прогноза зоны сдвижения
- Инструментальные наблюдения на локальных подземных станциях
- Переход от граничной кривизны к граничной горизонтальной деформации
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Гидрогеологические условия месторождения характеризуются как сложные в связи с наличием в разрезе пяти водоносных горизонтов. Водоносные горизонты разделены водоупором (глинами мощностью до 43 м) на два гидравлически изолированные комплекса: надкелловейский и под-келловейский. Нижний комплекс (подкелловейский) представлен нижнекаменноугольным водоносным горизонтом осадочной толщи и руднокристаллическим водоносным горизонтом рудовмещающей толщи. Исследованиями установлено, что основное участие в обводнении горных выработок принимают эти водоносные горизонты. Оба горизонта гидравлически связаны между собой, однако наличие глинистых отложений в подошве нижнекаменноугольного горизонта мощностью до 31 м, а также плотных переотложенных руд и карбо-натизированных бокситовых образований в кровле руднокристалли-ческой толщи мощностью до 60 м, затрудняют взаимосвязь указанных горизонтов. Работы по водопонижению в руднокристалличе-ском горизонте подтвердили, что подпиткой с каменноугольного горизонта можно пренебречь. В этой связи важное значение приобретает защита от образования техногенных водопроводящих трещин в разделительной водоупорной толще вследствие деформаций от ведения очистных работ. В систему защиты этого водоупора и рудника от подземных вод также входит предохранительный целик над очистным полем до подошвы каменноугольного водоносного горизонта, мощностью не менее 65 м.
На руднике принята слоевая система разработки с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями. В настоящее время отрабатывается первый слой, который в дальнейшем будет являться защитной потолочиной при отработке нижележащих слоёв. За счёт недозакладки выработанного пространства, достигающего величин 0,4 м и более, в оставленном целике развиваются процессы сдвижения и деформаций горных пород с образованием зон техногенных водопроводящих трещин.
Оценить степень нарушенности оставленного целика и разделительного водоупора глинистых отложений и плотных переот-
ложенных руд техногенными водопроводящими трещинами от очистных работ в первом слое является весьма актуальным для безопасной работы рудника. В связи с этим актуальным является определение границ зоны влияния сдвижения, разработка способа прогноза развития зон водопроводящих трещин для сложных горногеологических и гидрогеологических условий Яковлевского месторождения богатых железных руд.
Существенный вклад в развитие представлений о процессах
сдвижений и деформаций горных пород, закономерностях образова
ния техногенных трещин внесли С.Г. Авершин, А.Г. Акимов,
И.М. Бахурин, Е.В. Бошенятов, А.С. Ведяшкин, Д.А. Казаковский,
Ю.А. Кашников, И.А. Петухов, В.Н. Земисев, А.Б. Макаров,
А.Н. Медянцев, Г.Л. Фисенко, А.Г. Шадрин, М.А. Шадрин,
Б.Я. Гвирцман, В.Н. Гусев, В.Н. Дешковский, В.Н. Новокшонов, Ю.А. Норватов, А.С. Миронов, Ф.П. Стрельский, А.С. Ягунов и многие другие.
Цель работы – Повышение безопасности ведения горных работ под водоносными горизонтами.
Основная научная идея заключается в прогнозировании развития техногенных водопроводящих трещин с учётом данных натурных наблюдений за сдвижением горных пород, литологии, структурных особенностей и крепости пород подрабатываемой толщи.
Основные задачи исследования:
-
Оценка и анализ существующего опыта ведения горных разработок под водными объектами;
-
Проведение натурных наблюдений за сдвижениями и деформациями подрабатываемого массива горных пород;
-
Определение зоны влияния очистных работ, исходя из особенностей геологического строения месторождения;
-
Выявление основных закономерностей распределения сдвижений и деформаций в подработанной очистными работами толще по данным наблюдений за сдвижением горных пород в подземных выработках и на поверхности;
-
Разработка методики прогноза параметров зоны водопро-водящих трещин для горно-геологических условий месторождения.
Методы исследований
- методы натурных исследований процесса сдвижений гор
ных пород (закладка наблюдательной станции в горных выработках
и на земной поверхности, производство наблюдений по реперам
профильных линий);
обработка данных наблюдений за сдвижением реперов подземной и поверхностной наблюдательных станций;
метод аналогий для установления идентичности процессов сдвижения горных пород между месторождениями;
методы математической статистики по обработке результатов натурных наблюдений за сдвижением и деформациями, обобщению опыта подработки водных объектов.
Защищаемые научные положения
-
Для прогноза зоны сдвижения подрабатываемый массив горных пород над рудным телом необходимо разделить по физико-механическим свойствам на две группы: осадочные и рудовмещаю-щие породы. Внутри каждой из выделенной группы прогноз параметров зоны сдвижения следует осуществлять с учётом особенностей геологического строения и физико-механических свойств горных пород, слагающих выделенные группы.
-
Доказано, что отношение максимальной кривизны на верхней границе зоны водопроводящих трещин к максимальной кривизне, фиксируемой глубинными реперами подземной наблюдательной станции, обратно пропорционально квадрату отношения высоты зоны водопроводящих трещин к расстоянию по вертикали до заложенного в скважину глубинного репера. Эту закономерность следует использовать для определения расстояния до верхней границы зоны водопроводящих трещин.
-
Прогноз высоты развития зоны водопроводящих трещин необходимо осуществлять с учётом крепости пород, в которых образуются трещины, функциональной связи граничной кривизны с содержанием пород глинистого состава в подрабатываемой толще и относительным центром распределения мощностей осадочной толщи, разделительного водоупора и предохранительного целика рудной толщи.
Научная новизна работы состоит в:
определении зависимости высоты зоны водопроводящих трещин от распределения по мощностям слоёв пород в подрабатываемой толще;
установлении зависимости значения граничной горизонтальной деформации от литологического состава пород подрабатываемой толщи;
определении местонахождения слоя породы с граничной кривизной, являющегося верхней границей зоны водопроводящих трещин, на основе выявленной из натурных наблюдений закономерности распределения кривизны в подрабатываемой толще при формировании защитной потолочины в рудном теле богатых железных руд;
- повышении точности и достоверности определения высоты
зоны водопроводящих трещин путём учёта крепости пород, в кото
рых развиваются водопроводящие трещины, содержания глинистых
пород и распределения мощностей осадочной толщи, наличия раз
делительного водоупора (глин, переотложенных руд и карбонатизи-
рованных бокситовых образований) и предохранительного целика
рудной толщи над очистными работами.
Полученные научные результаты соответствуют паспорту специальности 25.00.16 – Горнопромышленная и нефтегазопромы-словая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр: пункт 3 - Изучение сдвижения и деформаций породных массивов и земной поверхности, разработка методов и средств наблюдений, контроля и прогноза геомеханического состояния.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов работы подтверждается согласованностью теоретических и полученных практических результатов прогнозирования развития зон водопроводящих трещин в подрабатываемом массиве.
Практическая значимость работы:
1. Полученные для условий Яковлевского месторождения углы сдвижения позволяют определять зону влияния очистных работ в массиве и на поверхности.
-
Установлены общие закономерности распределения максимальных оседаний, наклонов и кривизны в подрабатываемой толще.
-
Разработана методика определения высоты распространения зоны водопроводящих трещин (ЗВТ), адаптированная к горногеологическим условиям Яковлевского месторождения.
-
Для прогноза высоты ЗВТ и моделирования геомеханических процессов образования техногенных водопроводящих трещин численными методами получена граничная горизонтальная деформация.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований были представлены на научных конкурсах и конференциях в 2011-2013 г.: Общероссийских форумах-конкурсах «Проблемы недропользования», V Всероссийской конференции «Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых» в рамках форума «Нефтегазовое дело» в г. Пермь, Международном симпозиуме «Рудничный водоприток» в г. Фрайберг, 52й международной научной конференции на базе Краковской горно-металлургической Академии (Польша), III Международной заочной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Современные проблемы освоения недр».
Личный вклад автора.
- получены натурные данные оседаний поверхностных и
глубинных реперов в ходе прохождения стажировок на объекте ис
следования;
- по данным натурных наблюдений установлено, что отно
шения максимальных оседаний, наклонов и кривизны слоёв массива
горных пород, расположенных на различном расстоянии по верти
кали от выработки, соответственно обратно пропорционально корню
квадратному отношения, отношению и квадрату отношения этих
расстояний до слоёв с указанными вертикальными сдвижениями и
деформациями;
- определена зависимость высоты зоны водопроводящих
трещин от распределения по мощностям слоёв пород в подрабаты
ваемой толще.
Публикации. Результаты диссертации в полной мере освещены в 4 работах, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ и 1 патенте
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 111 наименований, изложена на 125 страницах машинописного текста и содержит 31 рисунков, 6 таблиц.
Автор выражает благодарность своему научному руководителю профессору Гусеву Владимиру Николаевичу за поддержку и помощь в подготовке диссертации.
Метод прогнозирования высоты зоны водопроводящих трещин
Исходя из того, что положение верхней границы зоны водопроводящих трещин связано с кривизной слоя, на основе статистических наблюдений была получена зависимость: где НТ - высота ЗВТ; m - вынимаемая мощность пласта; КГ - граничная кривизна [23, 37]. На основе статистической обработки натурных данных с месторождений пластового типа была обнаружена функциональная зависимость экспоненциального типа от содержания пород глинистого состава (алевролитов, аргиллитов, глинистых сланцев и др.) в подрабатываемой толще: KГ = f ( A), (1.4) где A - содержание пород глинистого состава (алевролитов, аргиллитов, глинистых сланцев и др.) в подрабатываемой толще, определяемое как отношение суммарной мощности пород глинистого состава к мощности подрабатываемой толщи [23]. Величина содержания пород глинистого состава определяется по формуле: - значения вертикальных мощностей слоев соответствующих пород, Н – глубина залегания разрабатываемого пласта.
Вид экспоненциальной зависимости был получен на основе анализа натурных данных, частично приведенных в таблице [15, 16, 17, 18, 19, 20]: В таблице 1.1 Да, т соответственно глубина, угол падения и мощность разрабатываемого пласта; А - содержание алевролитов, аргиллитов и глинистых сланцев в долях от мощности коренных пород; НТн - высота зоны водопроводящих трещин по натурным определениям; Кгф - значение фактической граничной кривизны. В общем виде зависимость граничной кривизны от литологического состава подрабатываемой толщи представлена выражением: где Кг - граничная кривизна; А - содержание алевролитов, аргиллитов в долях от подрабатываемой толщи; е - основание натуральных логарифмов; а и в - параметры уравнения связи, получаемые методами математической статистики [23].
Итоговое аналитическое выражение зависимости граничной кривизны (максимальной кривизны слоя на верхней границе ЗВТ) от содержания пород глинистого состава получено на основе натурных наблюдений высоты ЗВТ и имеет вид: = 0.8 10 -3 (1.7)
С применением данной методики производятся основные прогнозные расчеты высоты зоны водопроводящих трещин в данное время. Главным преимуществом расчетного метода является возможность его применения при прогнозировании параметров зоны на основе имеющихся геологических данных. Величина кривизны в данном способе определяется исходя из ее взаимосвязи с литологическим строением подработанного массива. Недостаток данного метода очевиден: содержание глинистых пород в долях от подработанной толщи является определяющим, но не единственным фактором, влияющим на величину деформаций кривизны [23, 37]. Сравнение фактической высоты ЗВТ, полученной по натурным данным, с результатами, полученными по формуле (1.3), показало, что отдельные отклонения составляют более 30 м. при среднем квадратическом отклонении ±пм. Данная величина свидетельствует о том, что учет при расчетах только содержания глинистых слоев в подрабатываемой толще не всегда гарантирует достаточную точность и достоверность определения высоты ЗВТ и, соответственно, надёжность прогноза безопасной выемки полезного ископаемого под водными объектами.
Помимо недостаточности учитываемых факторов прогнозирования, существующая методика в основном адаптирована под пластовые месторождения с относительно простой морфологией. В случаях, когда месторождение имеет сложную структуру подрабатываемой толщи и большую глубину залегания, данная методика не дает положительного результата.
Расчеты высоты зоны водопроводящих трещин в основном проводились для угольных месторождений в связи с их широким распространением и значительными площадями выемки [55, 57, 86, 90] Подработка водных объектов при разработке месторождений других типов встречается реже, вследствие чего, на сегодняшний день, статистика натурных наблюдений по ним практически отсутствует [91, 96, 97]. В частности, некоторые железорудные месторождения залегают в условиях наличия напорных водоносных горизонтов [92, 93]. Нарушение состояния подобного горизонта может привести к потере месторождения и образованию серьезных нарушений на поверхности [94]. В качестве примера подобного месторождения будет рассмотрен Яковлевский рудник [77, 78]. Добыча богатой железной руды (БЖР) на Яковлевском месторождении ведется системой горизонтальных слоев в нисходящем порядке с полной закладкой выработанного пространства твердеющими смесями [59, 60, 79]. Подрабатываемая толща месторождения включает пять водоносных горизонтов, защита которых от влияния подземных работ является первостепенной задачей служб мониторинга [59, 60, 61, 62, 63]. Основными горными мерами охраны подработанной толщи являются упомянутая выше закладка выработанного пространства и оставление предохранительной потолочины мощностью 65 м.
Добыча руды на Яковлевском руднике начата в 2007 г. с отработки горизонта на отметке -370 м с буровзрывной и механической (комбайновой) отбойкой руды [59, 60]. Проходка очистных заходок горизонта в неустойчивых и весьма неустойчивых мартитовых и гидрогематитовых рудах ведется с креплением рамной металлической крепью практически без отставания крепи от забоя [65, 85]. Затяжка кровли и бортов очистных заходок между рамами крепи осуществляется лесом и стальной сеткой. В отработанных очистных заходках перед их закладкой устанавливается комбинированная (горизонтальная и вертикальная) армировка [83]. Закладка очистных заходок горизонта осуществляется твердеющей смесью с нормативной прочностью 10 Мпа [79]. Средняя отметка земной поверхности равна +225 м. 0 слой расположен на отметке -370 м. Т.е. верхняя граница отработки БЖР имеет глубину залегания Я = 595 м. Темпы добычи по мере развития горных работ увеличивались с 15-30 тыс.т/мес. до 80ч-110 тыс.т/мес. Очистными работами охвачено все шахтное поле рудника в границах 1 очереди строительства. Длина выработанного пространства по простиранию залежи БЖР равна 714 м. Ширина выработанного пространства вкрест простирания залежи по линиям ортов составляет в среднем 340 м.
На примере данного месторождения будет осуществлена адаптация взятого за основу метода оценки высоты зоны водопроводящих трещин для месторождений железных руд со сложной структурой подрабатываемой толщи [42].
Общие положения для прогноза зоны сдвижения
Для прогноза зоны сдвижения вследствие разработки богатых железных руд (БЖР) подрабатываемый массив горных пород по своим структурным и физико-механическим свойствам был разделен на два комплекса пород (раздел 2.1.4):
- 1-й комплекс: рудовмещающие породы;
- 2-й комплекс: перекрывающие породы.
К рудовмещающим породам отнесены породы, в которых дислоцированы БЖР и которые расположены ниже относительного водоупора, показанного на разрезах (рисунок 2.1 и 2.2).
Перекрывающие породы – это та часть общей породной толщи, которая располагается выше относительного водоупора (рисунок 2.1 и 2.2).
Углы сдвижения в рудовмещающей толще определялись по методике ВНИМИ для сложных условий залегания рудных тел, изложенной в [1]. Углы сдвижения в перекрывающей толще определялись, исходя из данных физико-механических свойств горных пород и структурных особенностей этой части массива (слоистое строение, мощности слоев пород), тоже по методике ВНИМИ, изложенной в [2].
Углы сдвижения определяют в мульде зону опасных деформаций. В качестве опасных деформаций на угольных и рудных месторождениях приняты следующие виды и величины деформаций: наклон i = 410-3; кривизна K = 0,210-3 (1/м); растяжение = 210-3 [47]. При построенной по углам сдвижения границе зоны опасных деформаций ни один вид опасных деформаций не выходит за её пределы.
Практика разработки рудных месторождений дает много примеров тому, что различия форм и размеров залежей влияют на величину параметров сдвижения в большей степени, чем такие важнейшие факторы, как прочностные свойства пород, угол падения и др. Этим объясняется использование для прогноза параметров сдвижения на рудных месторождениях специального показателя – степени подработанности. При этом, общая закономерность угловых параметров сдвижения от степени подработанности имеет следующий характер: с уменьшением степени подработанности, существенно увеличиваются углы сдвижения.
Степень подработанности определяется в общем виде как где S – фактическая площадь выработанного пространства; S0 – площадь полной подработки. Описанная методика оценки зоны сдвижений и деформаций основывается на том, что обычно рудные залежи представляют собой залегающие под большими углами падения рудные тела, площадь которых значительно превышает их мощность. Под площадью полной подработки и площадью выработанного пространства (S и S0 в формуле (2.1)) при этом принимается проекция площади выработанного пространства на плоскость соответствующего разреза. На Яковлевском месторождении богатых железных руд залежь имеет значительную мощность и залегает под крупным углом падения, формируя собой фигуру сложной формы и значительных размеров. Разработка залежи, не смотря на крутой угол падения, в связи с ее габаритами ведется путем нисходящей разработки горизонтов с закладкой выработанного пространства бетонной смесью. Несмотря на различия породных слоев залежи по содержанию полезного компонента, разработка каждого слоя будет происходить в его полном объеме. Как следствие, подземные работы на каждом горизонте ведутся поэтапно и занимают значительный временной промежуток. В конечном итоге форма выработанного пространства одного слоя становится близка к прямоугольнику, соответственно, для одного слоя подработку можно считать близкой к полной. При этом следует отметить, что данный факт достигается за долгое время, вследствие чего необходимо отслеживать динамику изменения границ зоны сдвижений и деформаций при различных степенях подработанности, изменяющихся по мере увеличения площади выемки от начала разработки слоя. Аналогичные условия имеют место и при рассмотрении разработки месторождения в целом. В конечном счете совокупность большого количество отработанных слоев образует фигуру, в общем виде близкую к правильному косоугольному параллелепипеду с горизонтальным основанием, равным вертикальному расстоянию H от слоя переотложенных руд и карбонизированных бокситовых образований до планируемого нижнего горизонта разработки (параллелограмм acdm на разрезе (рисунок 2.1)). Достижение полной подработанности возможно в том случае, если форма итогового объема выработок приблизится к равностороннему параллелепипеду, однако на сегодняшний день разработка выше горизонта – 370 м не планируется с целью оставления защитной потолочины над выработанным пространством. Поэтому фактический итоговый объем выработки будет близок к параллелепипеду, высота которого немного меньше H (контур abem на рисунке 2.1), и степень подработанности будет приближенно равной 0,8. Очевидно, что процесс приближения формы выработанного пространства к параллелепипеду будет занимать колоссальный промежуток времени. При этом, на всем данном промежутке степень подработанности будет расти от величины, близкой к нулю, до величины, близкой к 0,8. Из изложенного можно сделать следующий вывод: для отслеживания границ зоны сдвижений и деформаций вследствие ведения подземных работ требуется ее рассмотрение в динамике в связи с большой продолжительностью разработки. Несмотря на то, что по завершении работ подработка станет условно близкой к полной, требуется рассмотрение различных величин степени подработанности для прогнозирования границ зоны сдвижений и деформаций на различных этапах ведения подземных работ.
Инструментальные наблюдения на локальных подземных станциях
Инструментальные наблюдения на локальных подземных станциях состоят из:
-плановой и высотной привязок опорных реперов к исходным пунктам и периодического контроля за их неподвижностью в период проведения наблюдений;
- начальных наблюдений для определения исходного положения глубинных реперов в вертикальной плоскости;
- повторных наблюдений за положением глубинных реперов для определения величин их вертикальных смещений (оседаний); - вертикальные смещения (оседания) получают путем сравнения высотного положения глубинных реперов в данной серии наблюдений с исходным их положением [85].
Привязку опорных реперов наблюдательной станции в горизонтальной плоскости осуществляют проложением замкнутых теодолитных ходов от ближайших пунктов подземной полигонометрии (исходных пунктов). Допускается привязка прокладыванием висячего теодолитного хода в прямом и обратном направлениях.
Наблюдения для определения исходного положения реперов наблюдательной станции проводят через семь дней после подвеса грузов к свободным концам тросиков, связанных с глубинными реперами, и состоят из двух независимых серий наблюдений, включающих нивелирование всех реперов наблюдательных станций [36].
Разрыв во времени между окончанием первой серии измерений и началом второй не должен превышать пяти дней.
За исходные значения высотных отметок реперов принимают средние из двух серий наблюдений, если расхождения между сериями не превысят +5 мм. При превышении этого параметра следует организовать дополнительную серию измерений.
Нивелирование глубинных реперов проводят замкнутыми или висячими ходами в прямом и обратном направлениях.
Рейку, как в прямом, так и в обратном ходу устанавливают на все рабочие (в нашем случае - глубинные реперы) и опорные реперы. Отсчеты берут по средней нити с двух сторон рейки или с изменением горизонта инструмента. К нижней части грузов, подвешенных к глубинным реперам, приварена металлическая площадка в виде гайки для удобства однозначной установки нуля нивелирной рейки во время измерений [36].
Расхождение в превышениях, полученных по черной и красной сторонам реек или по одной стороне, но при двух горизонтах инструмента, не должно быть более ±3 мм. Невязка превышений в замкнутых ходах, двойных ходах или ходах, привязанных к опорным пунктам, не должна быть более ±15VL мм или ±4Ш мм при числе штативов п более 15 на 1 км хода.
После определения исходного положения глубинных реперов следующую серию наблюдений рекомендуется провести через неделю. В случае фиксирования оседаний, отличающихся от предыдущей серии наблюдений на величину не более ±5мм (т. е. не будет наблюдаться тенденция увеличения оседаний одного знака), следующую серию наблюдений можно провести через две недели. Частоты наблюдений (один раз в две недели) необходимо придерживаться до тех пор, пока не проявится тенденция закономерного увеличения оседаний. При выявлении тенденции закономерного увеличения деформаций частоту наблюдений следует увеличить как минимум до одного раза в неделю [36].
Внеочередные повторные наблюдения проводят, приурочивая их к характерным этапам очистных работ (проходка технологического штрека, орта, закладка горной выработки и др.).
В общем случае число повторных наблюдений и срок их проведения устанавливают в зависимости от поставленных задач и с учетом горнотехнических условий разработки рудного тела; они могут быть изменены в соответствии с фактическим развитием горных работ и процесса сдвижения [36].
В данных условиях серьезной проблемой является близкое расположение базовых реперов к выработанному пространству. На рисунке 3.7 хорошо видно, что расстояние от базового репера Б3 до участка работ сравнимо с тем же расстоянием до наблюдаемого репера Rp8. Для обеспечения эффективности данного вида работ необходимо, чтобы базовые точки, служащие опорными реперами для проложения нивелирных, либо теодолитных ходов, являлись неподвижными и не подверженными влиянию сдвижений, вызванных ведением подземных работ. Единственным возможным способом обеспечения данного условия может быть установка опорных реперов на максимальном удалении от выработанного пространства. Однако в условиях рассматриваемого месторождения данная задача является сложно выполнимой. Так как максимальные величины сдвижений, в основном, сконцентрированы в центральных участках выработанного пространства, опорные реперы были закреплены в краевых выработках. С целью получения данных об их смещениях при каждом замере на наблюдательных станциях также производится определение превышений базовых реперов относительно друг друга. Данная работа является крайне важной, так как неточные сведения о состоянии опорных реперов, несомненно, повлекут за собой серьезные ошибки во всех циклах наблюдений за сдвижениями подработанного массива.
Переход от граничной кривизны к граничной горизонтальной деформации
Применяемый в настоящее время основной метод прогноза высоты и формы зоны водопроводящих трещин, описанный раннее, предполагает определение для подработанной толщи величины граничного параметра – кривизны слоя. Достижение параметром некоторой величины вследствие деформации подработанного массива вызывает возникновение сквозных нормально секущих трещин слоев. 4.1 Переход от граничной кривизны к граничной горизонтальной деформации На современном этапе развития науки все большую роль играет применение программных комплексов для прогноза деформаций подработанного массива и земной поверхности. В прошлом многие зависимости параметров процесса сдвижений могли быть установлены лишь путем проведения трудоемких натурных наблюдений и создания физических моделей. Последние в настоящее время заменяются моделями, созданными с применением компьютерных технологий конечно-элемнтного моделирования [44, 64, 80, 84]. Данный способ прогноза при правильности заложенного в программу алгоритма вычислений позволяет учесть множество факторов и с достаточно высокой степенью достоверности осуществить расчет предполагаемого поведения массива при его подработке. При этом, непосредственно получение распределения кривизны с целью определения положения слоя с ее граничным значением с применением программных комплексов практически невозможно либо крайне затруднено, что является серьезным недостатком кривизны, как граничного параметра при определении высоты и формы зоны водопроводящих трещи. Получение распределения деформаций кривизны путем анализа натурных данных также зачастую имеет недостаточную достоверность при значительных размерах подработанного массива. Применяемая на Яковлевском месторождении система мониторинга позволяет однозначно определить лишь деформации непосредственно над выработанным пространством. Кривизна при этом определяется как производная от вычисленных наклонов. В данной работе рассмотрена модель распределения деформаций кривизны для массива на основе анализа данных о сдвижениях на глубине и на земной поверхности, однако в целях увеличения достоверности предлагаемой методики предлагается установить дополнительный граничный параметр для оценки зоны водопроводящих трещин. При натурных исследованиях подработанного массива возможно достаточно точное прогнозирование распределения горизонтальных деформаций подработанного массива. Кроме того, все широко применяемые в настоящее время программные комплексы позволяют наглядно и точно отобразить распределение деформаций по любым осям. Исходя из этого, применение горизонтальной деформации как граничного параметра при определении формы и размеров зоны водопроводящих трещин. Получение величины граничной горизонтальной деформации для рассматриваемого месторождения позволит применить данный критерий как дополнительный фактор прогноза, а также фиксировать форму кривой граничной деформации при использовании комплексов конечно элементного моделирования. Взаимосвязь между кривизной и горизонтальными деформациями основана на качественном сходстве распределения кривизны и горизонтальных деформаций: кривизне выпуклости соответствуют горизонтальные деформации растяжения, кривизне вогнутости -горизонтальные деформации сжатия [17, 66]. Данное предположение может быть записано как прямая зависимость между величинами граничной кривизны и граничной горизонтальной деформацией, которая в дальнейшем будет обозначена sГ. Сама предполагаемая зависимость может быть записана как где p - переходный коэффициент, отражающий взаимосвязь граничной кривизны и граничной горизонтальной деформации. В первую очередь из заявленного предположения необходимо определить, является ли данный коэффициент некой постоянной величиной, или же его значение является функцией параметров участка работ. Вывести его можно из выражения (4.1):
В Правилах охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок [74] рассмотрены расчетные способы определения величины горизонтальных деформаций поверхности, основанные на данных о поверхностной мульде сдвижения. Фактически, результатом расчетов являются параметры процесса сдвижения на расстоянии по вертикали от кровли выработанного пространства, равного глубине ведения подземных работ. Аналогичным способом можно определить параметры сдвижения для слоев, расположенных на другом удалении от разработки. В данном случае, необходимо произвести расчет для слоя, приуроченного к верхней границе зоны водопроводящих трещин: где а0 - относительное максимальное горизонтальное сдвижение; т - максимальное оседание; L3 - длина полумульды в искомом слое на верхней границе зоны водопроводящих трещин, горизонтальные деформации и кривизна которого являются граничными; S"(zx) - функция типовой кривой кривизны и горизонтальных деформаций. Аналогичным способом в указанном выше источнике предлагается рассчитывать кривизну поверхности при формировании мульды сдвижения. Данный метод также применим для глубинных слоев при введении в расчет граничных параметров слоя:
Входящее в формулы (4.3) и (4.4) максимальное оседание т в общем виде определяется из выражения где q0 - относительное максимальное оседание; т - вынимаемая или эффективная мощность выемки; N\, N2 - коэффициенты, учитывающие степень подработанности, соответственно, вкрест и по простиранию извлекаемого слоя; а - угол падения слоя. Длина полумульды поверхности L3 (при N2 = 1) изначально рассчитывается на основе глубины ведения подземных работ, однако, исходя из данных условий можно вывести ее выражение и для слоя с граничной кривизной путем использования высоты зоны водопроводящих трещин вместо глубины разработки: 4 = HТ(ctgS0 + ctgy/3), (4.6) где НТ - высота зоны водопроводящих трещин (ЗВТ) или расстояние по вертикали от кровли выработанного пространства до слоя с граничной кривизной и горизонтальной деформацией; 0, 3 - соответственно граничный угол и угол полных сдвижений в главном сечении мульды сдвижения слоя, приуроченного к верхней границе зоны водопроводящих трещин по простиранию.
