Введение к работе
В диссертации, представленной в форме научного доклада, приводится основное содержание опубликованных в 1959-1989 гг. работ автора по результатам выполненных им научных исследований в период работы во ВНИМИ.
Актуальность проблемы. Основными направлениями развития угольной промышленности СССР является дальнейшее увеличение добычи угля, сокращение потерь угля в недрах, рациональное использование недр, обеспечение защиты инженерных сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок.
В настоящее время в основных угольных бассейнах страны под зданиями, сооружениями и охраняемыми природными объектами залегает более б млрд.тонн угля.
На угленосных территориях распологены крупные города (Донецк, Караганда, Прокопьевск, Стаханов, Гуково, Горловка, Макеевка и др.), промышленные комплексы, транспортные коммуникации, охраняемые природные объекты, имеющие важное народнохозяйственное значение. Добыча угля в зонах влияния на охраняемые объекты в СССР составляет в настоящее время 50-60 млн.тонн в год, достигая в отдельных районах до 30 общей добычи. Ыакскмальио-всзмояное извлечение запасов угля кз недр в зонах влияют горных выработок на охраняемые объекты при обеспечении их нормальной эксплуатации является вазной народнохозяйственной-задачей, способствупщей продленки сроков слугбы действующих шахт и значительной экономии капитальных вложений. Экономический эффект от извлечения 50-60 млн.тонн запасов угля в зонах влияния на охраняемые объекты равноценен вводу в действие без дополнительных затрат нескольких угольных шахт.
Выбор рациональных способов разработки месторождений в зонах влияния на охраняемые объекты способствует решению проблемы охраны окрузаищей среды к рациональному использовании недр.
В связи с интенсификацией горных работ, переходом горных работ на большие глубины, ведением горных работ в зонах влияния тектонических нарушений, осевых поверхностей синклинальных и шарнирных зкладок, при наличии старых горных выработок на небольшой глубине возрастает роль геомеханического обоснования и разработок рациональных способов ведения горных работ под охраняемыми объектами, спо-;обствущих значительному снижению деформаций поверхности и умень-іенив повреждений объектов при максимальном извлечении запасов угля га недр.
Актуальной проблемой является обоснование оптимальных мер защиты проектируемых объектов и их рациональное расположение на угленосных территориях.
Диссертационная работа посвящена научному обоснованию методов прогноз-а деформаций горных пород и земной поверхности и определению параметров ведения горных работ при выемке свит пластов на большой глубине, при нарушенном и сложном залегании пород, при подработке оползневых склонов и при перспективном планировании горных работ.
Исследования выполнялись во ВНИШ 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 на 1981-85 гг. (тема 0202000, № ГР 01840007757-59), по проблеме 0.55.05 Госстроя СССР на 1975-80 гг. (работа 020503, » ГР 76028065), по отраслевому плану Минуглепрома СССР на 1985-90 гг. (тема 0239035, J? ГР 0I87O00III0), в которых автор принимал участие в качестве ответственного исполнителя и руководителя работ.
Цель работы - научное обоснование извлечения запасов угля под застроенными территориями, промышленными комплексами, природными объектами, в сложных горно-геологических условиях (выемка свит пластов на большой глубине, нарушенное и сложное залегание пород, ведение горных работ под оползневыми склонами, перспективное планирование горных работ).
Задачи исследований:
-
Разработка и внедрение методов эффективного изучения процесса сдвижения горных пород и земной поверхности на физи--оских моделях из эквивалентных материалов, в натурных условиях и ча математических моделях.
-
Разработка схем деформирования и методов прогноза с аиже-ний и деформаций горных пород и земной поверхности в сложных горно-геологических условиях.
-
Обоснование параметров ведения горных работ в слоеных горно-геологических условиях, обеспечивающих значительное уменьшение деформаций земной поверхности в основании подрабатываемых объектов, расконсервацию запасов угля, стабилизацию оползней.
-
Обоснование и разработка методов прогноза деформаций земной поверхности и требований к параметрам разработки пластов при перспективном планировании горных работ.
-
Классификация территорий застройки по характеру процесса сдвижения и величинам деформаций для проектирования строительства на угленосных территориях.
-
Разработка требований и алгоритмов к программам расчета сдвижений и деформаций земной поверхности на ЭВМ с автоматизацией графических построений.
Идея работы заключается в оценке влияния геологических и техногенных поверхностей ослабления в горных массивах (контакты слоев, плоскости сместителей нарушений, осевые поверхности складок, зоны трещин и разрушенных пород под влиянием очистных выработок) на характер и параметры процесса сдвижения и в учете этого влияния при выборе рациональных способов горных разработок под объектами.
Методы исследований. Основными методами исследований являются анализ и обобщение результатов натурных наблюдений, изучение процесса сдвижения на моделях из эквивалентных материалов и в натурных условиях (разработка и совершенствование методов наблюдений и приборов), математическое моделирование и аналитические исследования с использованием методов механики сплошной среды, теории случайных процессов, математической статистики, анализ и оценка влияния'различных факторов с использованием ЭВМ, сравнение прогнозируемых параметров с их экспериментальными значениями в натурных условиях.
Научные положения, выносимые на защиту; I. Сдвиги пород по контактам над выработкой с разделением толщи на слои и пачки происходят под влиянием касательных напряжений, возникающих при изгибе подработанных пород /2/.
Формирование мульды сдвиаения в массиве и на земной поверхности зависит от перемещений пород над зоной обрушения, определяемых вынимаемой мощностью пласта и размерами выработки, мощностью пачек пород, деформирующихся без расслоений, и перемещений пород в зоне опорного давления, зависящих от дополнительных напряжений и потери распора пород вдоль напластования под влиянием изменения напряженного состояния в зоне изгиба /19/, /22/. При увеличении глубины горных разработок влияние потери распора на формирование краевой части мульды сдвижения возрастает..
2. Максимальные деформации горных пород и земной поверхности и основные параметры процесса сдвижения определяются взаимным расположением выработок относительно геологических и техногенных зон ослабления и очередностью прохождения выработок в этих зонах.
Результирующий эффект влияния нескольких выработок на земную поверхность в районах выходов геологических поверхностей ослабления зависит от взаимного положения поверхности ослабления и зоны активных сдвиговых деформаций в мульде и последовательности разработки пластов в зонах влияния нарушений /57/, /58/.
3. При расчете сдвижений и деформаций горных пород и земной
поверхности следует учитывать как средние (закономерные), так и
неравномерные (случайные) составлявшие сдвижений и деформаций.
Распределение средних составляющих сдвижений и деформаций может
определяться с использованием непрерывных эмпирических или анали
тических функций.
Неравномерные составляющие сдвижений и деформаций, обусловленные неоднородностью свойств горного массива, могут оцениваться иетодами математической статистики и теории случайных процессов на основе определения их статистических характеристик и связей со средними значениями сдвижений и деформаций /29/, /37/, /39/.
-
Методы расчета сдвижений и деформаций земной поверхности и рационального расположения горных выработок под охраняемыми объектами должны соответствовать полноте информации и требованиям характерных стадий планирования разработки месторождения (стадии разведки, генеральных схем раскройки шахтных полей, пятилетнего и оперативного планирования горных работ).
-
При ведении горных работ в свитах крутопадающих пластов в условиях сдвижения пород лежачего бока процесс сдвижения горных пород характеризуется изгибом слоев и сдвигами пород по контактам напластований с концентрацией сдвиговых деформаций на слабых контактах, которые ыогут оцениваться величиной сосредоточенной кривизны, функционально связанной со средними деформациями земной поверхности и строением массива /23/, /35/.
-
При разработке пластов, залегающих в синклинальных складках с углами падения крыльев большими, чем углы трения- по контактам слоев, сдвижение горных пород и земной поверхности проявляется в форме изгиба слоев вблизи осевой поверхности складки, сдвигов пород по контактам напластования на крыльях складки и сдвигов пород по осевой поверхности складки при попадании её в область активных сдвиговых деформаций.
Взаимосвязь и соотношение этих форм деформаций зависит от типа складки и положения очистных выработок относительно её осевой поверхности /35/, /57/, /58/.
7. При подработке очистными выработками крутопадащих текто
нических нарушений вследствие сдвига пород по поверхности смести-
теля возникают концентрации деформаций пород на пересечении с нарушением, увеличиваются скорости деформаций массива и земной поверхности, происходит изменение углов сдвижения, наблюдается активизация подвижен слоев по контактам напластования.
Максимальные деформации земной поверхности и величины угловых параметров процесса сдвижения зависят от очередности разработки пласта на различных* характерных участках в зоне влияния тектонического нарушения /35/, /54/, /56/, /57/.
-
Методы прогноза вероятных сдвижений и деформаций при перспективном планировании горных работ в свитах пластов должны учитывать характерные особенности подготовки и разработки свит пластов (количество одновременно разрабатываемых пластов в свите, панельный, этатный или погоризонтный способы подготовки и ведения горных работ) п статистические характеристики сдвижений и деформаций, обусловленные возможнызд изменением исходных горнотехнических параметров и последовательности разработки пластов /35/, /37/.
-
Для изучения процесса сдвижения горных пород и земной поверхности, обоснования геомеханических схем процесса сдвижения и оценки влияния горно-геологических факторов может эффективно приценяться метод моделирования с помощью эквивалентных материалов, разработанные методики исследований, конструкции стендов, приборы и оборудование /I/, /4/, /6/, /9/, /28/, /32/, /59/.
10. Программы расчетов сдвижений и деформаций земной поверхности, реализуемые на ЭВМ, должны обеспечивать получение максимальных и суммарных сдвижений и деформаций земной поверхности в рассматриваемых точках мульды сдвиженяя при различных вариантах разработки пластов и выбор оптимальных вариантов горных работ по заданным критериям. Графические построения должны включать получение на плане поверхности изолиний максимальных и суммарных сдви-пений и деформаций, в направлениях вкрест простирания, по простиранию пластов и в заданных направлениях за рассматриваемый промежуток времени /35/, /47/.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций определяется соответствием прогнозируемых сдвижений и деформаций горных пород и земной поверхности,их измеренным величинам в различных угольных бассейнах страны; представительным объёмом экспериментальных исследований на моделях из эквивалентных материалов; анализом и обобщением обширных материалов натурных наблюдений в основин: угольных бассейнах; широким долголетним и положительным опытом проверки методов прогноза сдвижений и деформаций горных пород и земной поверхности на шахтах Минуглепрома
СССР при расконсервации запасов угля под застроенными территориями, промышленными комплексами; природными объектами, обеспечившим нормальную эксплуатацию объектов; успешной .защитой объектов, построенных на угленосных территориях, применением рациональных параметров горных работ под 'охраняемыми объектами, позволившим расконсервировать значительные объёмы запасов угля; широкой апробацией рекомендаций и предложений автора в рамках основных нормативных и методических документов, действующих на предприятиях Минуглепрома СССР и Госстроя СССР /2/, /14/, /19/, /22/, /25/, /33/, /35/, /38/, /41/, /50/, /54/, /59/.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Установлено, что деформирование слоистой толщи пород под
влиянием подземных разработок характеризуется совокупностью де
формаций отдельных пачек слоев, предельные мощности которых зави
сят от соотношения сил бокового распора и сцепления пород по кон
тактам.
Деформации сдвига и изменение объёма пород после потери несущей способности этих пачек над выработкой малы и при расчетах деформаций ими можно пренебречь.
Сдвиги пород реализуются на контактах пачек в виде взаимных смещений пород по напластованию. .
На формирование положения зоны трещин в массиве оказывает влияние сопротивление сдвигу по контактам слоев и предел прочности слоя растягивающим напряжениям /16/, /19/, /22/.
Деформирование пород в зоне опорного давления при больших глубинах разработки в значительной мере определяется степенью потери бокового распора, вызванного сдвижениями пород над очистной выработкой.
Средние деформации пород в зоне опорного давления функционально связаны со сдвижениями угольного пласта по нормали к напластованию, которые при аналогичных по деформационным свойствам покрывающих и подстилающих породах достигают 50 сдвижений поверхности в рассматриваемых нормальных к напластованию сечениях /8/, /19/, /22/.
2. Сосредоточенные деформации земной поверхности, возникающие
на слабых контактах при разработке свит пластов в условиях сдвиже
ния пород лежачего бока, пропорциональны средним наклонам земной
поверхности, мощности деформирующихся без расслоений пачек пород \
функционально связаны с содержанием крепких слоев в покрывающих и
подстилающих породах /25/, /33/, /35/.
Величины "обратных" уступов, возникающие на земной поверх -:ости в Донбассе, пропорциональны разности сдвижений смежных слоев доль напластования при их изгибе, которые могут быть выражены крез средние деформации поверхности на основании теории малых де-юрмаций /54/, /56/. Распределение и величины средних деформаций оверхности в условиях сдвижения пород лежачего бока-пластов за-исят от кратности подработок, соотношения крепких слоев в покры-ающих и подстилающих породах, количества ранее отработанных гори-онтов и общей протяженности ранее пройденных по падению вырабо-ок /26/, /33/, /35/, /54/.
-
Зоны разрушения горных массивов, при первичной подработке ород очистными выработками, определяют положение максимальных де-юрмаций и их величины на земной поверхности при повторных подра-отках этих участков выработками в других пластах, пройденными в онах взаимного влияния, поэтому характер процесса сдвижения, ве-ичины максимальных деформаций горных пород и земной поверхности, гловые параметры процесса зависят.от очередности проховдения чистных выработок на участках влияния геологических нарушений или ехногенных ослаблений массивов /36/, /43/, /45/, /52/, /56/, /62/.
-
Деформации массивов горных пород и земной поверхности при заработке пластов, залегающих в синклинальных складках, вызван-ые изгибом слоев у осевой поверхности, сдвигами пород по контак-ам напластований на крыльях складки и сдвигами пород по осевой оверхности складки функционально связаны между собой и зависят от ынимаемой мощности пласта, отношения размеров выработки к глубине алегания оси складки, разности углов наклона разрабатываемого ласта на оси складки и на участке выхода пласта под наносы.
При разработке пластов на одном из крыльев складки концент-ация сдвиговых деформаций на осевой поверхности складки приводит образованию уступов на земной поверхности, величины которых про-орциональны оседаниям поверхности и отношению размеров зоны сдви-овых деформаций " Оц. " к длине осевой поверхности складки на раз-езе вкрест простирания " 10п (при ~—>0,3) (рис.3).
При ведении горных работ на обоих крыльях складки величины двиговых деформаций и уступы на земной поверхности на оси складки ропорционалъны разности значений уступов, возникающих под влия-кем горных работ на каждом крыле складки /24/, /35/, /57/, /58/, 59/.
5. При ведении горных работ в зонах влияния крутопадающих
ектонических нарушений на земной поверхности образуются "прямые"
ли "обратные" уступы,возникающие соответственно вследствие сдвига
?
пород по сместителю или взаимного скольжения пород висячего и лежачего крыльев нарушения при изгибе сместителя, вызванного его подработкой.
Уступы возникают при углах падения сместителей более 50 (пологое залегание пород) и при углах падения сместителей более 40 (наклонное и крутое залегание пород).
Величины "прямых" уступов на выходах сместителей крутопадающих нарушений пропорциональны максимальным оседаниям земной поверхности и отношению размеров зоны сдвиговых деформаций к общей длине сместителя нарушения на разрезе вкрест простирания.
Величины "обратных" уступов на выходах согласнопадающих нарушений (при Д- оС <20) пропорциональны максимальным наклонам земной поверхности и функционально зависят от углов падения сместителей нарушений /55/, /57/. При ведении горных работ на обоих крыльях сместителя тектонического нарушения, уступы на поверхности пропорциональны разности максимальных оседаний, вызванных влиянием горных работ в висячем и-лежачем крыльях сместителя нарушения /55/ /57/, /58/, /59/.
-
Сосредоточенные деформации земной поверхности, наблюдаемые в районе выходов поверхностей ослабления на различные моменты отработки пластов, в той или иной степени корреляционно связаны между собой, поэтому результаты наблюдений можно использовать для обоснования математических моделей и прогноза сосредоточенных деформаций при переходе горных работ на более глубокие горизонты к соседние участки.
-
С увеличением глубины горных разработок увеличивается отношение неравномерных составляющих наклонов, горизонтальных деформаций и кривизны к юс средним значениям. При глубинах разработки 700-1000 м неравномерные составляющие горизонтальных деформации соизмеримы с их средними значениями, а неравномерные составляющие кривизны превосходят средние значения в 3-3,5 раза.
Неравномерные составляющие наклонов и горизонтальных деформаций различных участков земной поверхности практически не зависимы между собой, что позволяет использовать методы теории случайных величин для оценки их дисперсий при разных расстояниях между пунктами наблюдений.
Научное значение работы заключается в научном обосновании и разработке методов прогноза сдвижений и деформаций горных пород и земной поверхности и рациональных способов ведения горных работ под охраняемыми объектами в сложных горно-геологических условиях (разработка свит пластов на большой глубине, нарушенное и сложное
залегание пород, наличие в массиве древних оползней), обеспечивших решение крупной народнохозяйственной проблемы по расконсервации запасов угля под охраняемыми объектами и рациональному использования недр.
Практическая ценность работы заключается в следующем;
1. Обоснованы, разработаны и внедрены катоды расчета сдвизе-
ний к деформаций зеїсной поверхности в слонных горно-геологических -
условиях для выбора мер защиты объектов (при выемке свит крутопа
дающих пластов, при залегании пород в синклинальных складках и при
нарушенной залегании пород, при перспективном планировании горных
работ) /23/, /25/, /33/, /35/, /38/, /44/, /50/, /54/ и эффективного
извлечения запасов из недр.
-
Обоснованы рациональные способы ведения горных работ под охраняемыми объектами (горные меры защиты объектов) в слогных гор-но-геологических условиях (при выемке свит пологих, наклонных' и крутопадаюиих пластов, при залегании горных пород в синклинальных складках и нарушенном залегании пород, при наличии в массиве древних оползней), внедренные на шахтах ряда производственных объединений /36/, /43/, /45/, /56/, /57/, обеспечившие расконсервации запасов угля под охраняемыми объектам.
-
Разработаны и используятся для выбора мер защиты вертикальных шахтных стволов методы расчета сдвижений и деформаций горного массива /19/.
-
Обоснованы методы и приборы для изучения процесса сдвкке-ння горных пород и земной поверхности в натурных условиях /5/, /7/, /II/, /14/, /15/, /50/, /59/.
Разработана технология моделирования процесса сдвккения горных пород, конструкции стендов, измерительная аппаратура для изучения процесса сдвигания на моделях из эквивалентных материалов /I/, /3/, /4/, /7/, /9/, /17/, /22/, /28/, /31/, /32/, /60/.
5. Разработаны требования и алгоритмы к прогрёмке расчета
ожидаемых сдвкяений и деформаций земной поверхности на ЭВМ с авто
матизацией графических построений сдвнаений и деформаций, которая
широко внедрена в основных производственных объединениях Мннугле-
проыа СССР, научно-исследовательских и проектных институтах /47/.
Внедрение результатов работы. Методы прогноза сдвижений и деформацісй горных пород н зеьдаой поверхности для выбора мер защиты объектов в слояных горно-геологических условиях, разработанные автором, включены в основные нормативные и методические документы по вопросам сдвижения горных пород, охране объектов и проектирования строительства на угленосных территориях, утвержденные или одобрен-
ные Минуглепромом СССР и Госстроем СССР /19/, /23/, /33/, /38/, /41/, /54/ и согласованные с Госгортехнадзором СССР /35/. Методы прогноза деформаций горных пород и зеиной поверхности используются во всех угольных бассейнах страны при выборе мер защиты объектов.
Пакет прикладных программ для ЭВМ по прогнозу сдвижений и деформаций с автоматизацией графических построений широко внедрен в горно-добывающих, проектных, научно-исследовательских организациях Минуглепрома СССР и Госстроя СССР.
Методы рационального ведения горных работ включены в нормативные и методические документы /25/, /35/, защищены авторскими свидетельствами /43/, /45/, /55/, /61/, внедрены в ряде производственных объединений Минуглепрома СССР.
Методы наблюдений за сдвижением горных пород и земной поверхности и их интерпретации включены в "Инструкцию по наблюдениям...", утвержденную Минуглепромом СССР и согласованную с Госгортехнадзором СССР /59/, а также в Методические указания /50/, одобренные Минуглепромом СССР.
Разработанные методы широко используются на шахтах Минуглепрома СССР при проведении наблюдений за сдвижением горных пород и земной поверхности и интерпретации полученных результатов.
Методы моделирования процесса сдвижения на физических моделях. из эквивалентных материалов включены в "Методические указания..." /4/, /28/.
С 1980 г. под руководством и при участии автора составлено более ста заключений и рекомендаций по расконсервации запасов угля под охраняемыми объектами, прогнозам деформаций для выбора мер защиты проектируемых объектов, рациональному ведению горных работ, развитию градостроительства на угленосных территориях.
Использование разработанных с участием автора нормативных и методических документов позволяет ежегодно на шахтах СССР расконсервировать до 50-60 млн.тонн угля. Внедрение разработанных рекомендаций по расконсервации запасов угля на отдельных шахтах в условиях нарушенного и сложного залегания пластов .обеспечивает ежегодное извлечение не менее 0,5 млн.тонн угля под охраняемыми объектами при обеспечении их нормальной эксплуатации.
Апробация работы. Работа апробирована на шахтах Донбасса, Кузбасса, Карагандинского, Львовско-Волынского и др. бассейнов, на месторождениях Средней Азии. Основные положения работы докладывались и обсуждались на конференциях, совещаниях, симпозиумах, Ученом Совете ВНИМИ, в Минуглепроме СССР и на международных конгрессах по маркшейдерскому делу в Тузле (Югославия) 1975 г., в Харо-
гейте (Англия) 1985 г., в Ленинграде 1988 г., на международном симпозиуме в Болгарии в 1986 г., результаты исследований использовались при выполнении работ для Индии, при выполнении совместных работ с ФРГ и получили высокую оценку зарубежных специалистов.
Публикации. Основные положения работы изложены в &t-x печатных трудах и изобретениях, в том числе двух монографиях. Работа по разработке и создание моделей геомеханических процессов с использованием эквивалентных материалов удостоена Государственной премии СССР в области науки и техники за 1984 г.
