Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1. Современное состояние вопроса 10
1.2. Задачи и цель исследований 21
Глава 2. Анализ и классификация факторов, вызыващих деформации подземных маркшейдерских сетей 24
2.1. Состояние подземных маркшейдерских сетей на шахтах Донбасса 24
2.2. Оценка факторов, вызывающих деформации маркшейдерских сетей 37
2.3. Классификация условии расположения маркшейдерских сетей 51
Глава 3. Методика исследований влияния геомеханических процессов на устойчивость подземных маркшейдерских сетей 58
3.1. Выбор методики и условий проведения шахтных наблюдений 58
3.2. Характеристика наблюдательных станций 63
3.3. Анализ результатов наблюдений на станциях глубинных и контурных реперов 85
3.4. Анализ результатов повторных полигонометрических ходов по горным выработкам 96
Глава 4. Исследование устойчивости плжтов подземных маркшейдерских сетей методами математического моделирования 112
4.1. Общие положения 112
4.2. Расчет смещений с учетом пространственного характера развития очистных работ 116
4.3. Расчет смещений с учетом слоистого строения массива горных пород 122
4.4. Расчет смещений в неоднородном массиве горных пород методом конечных элементов (МКЭ) 132
4.5. Сравнение результатов аналитических расчетов и натурных наблюдений 141
Глава 5. Построение подземных маркшейдерских сетей с учетом проявления горного давления 149
5.1. Рациональное закрепление подземных маркшейдерских сетей в горных выработках 149
5.2. Разработка оптимальной конструкции маркшейдерских центров 153
5.3. Методика контроля и реконструкции подземных маркшейдерских сетей с учетом выявленных закономерностей 160
Заключение 167
Литература 173
Приложения 187
- Оценка факторов, вызывающих деформации маркшейдерских сетей
- Характеристика наблюдательных станций
- Расчет смещений с учетом пространственного характера развития очистных работ
- Разработка оптимальной конструкции маркшейдерских центров
Оценка факторов, вызывающих деформации маркшейдерских сетей
Устойчивость пунктов маркшейдерских сетей непосредственно зависит от устойчивости горных выработок, в которых они закреплены. Под устойчивостью горной выработки подразумевается ее способность находиться в нормальном эксплуатационном состоянии в течение определенного срока. Устойчивость маркшейдерских пунктов предполагает неизменность их координат X , У и Z во времени. Изменение координат пунктов подземных маркшейдерских сетей вызывается смещением породного контура и давлением на крепь.
Смещения пород, охватывая весь контур выработки, распространяются в глубину массива и образуют зону неупругих деформаций. В общем случае зона неупрутих деформаций вокрут горной вы работки ограничена внутренним радиусом, равным радиусу выработки К , и внешним Pi_ - радиусом границы раздела упругой и неупругой областей. Областью практического влияния выработки на устойчивость маркшейдерских пунктов можно считать именно область неупругих деформаций, так как в пределах этой области горные породы переходят в частично раздробленное состояние и приобретают свойства сыпучей среды [23, 9l] .Форма этой зоны определяется горногеологическими условиями проведения выработки. Как правило, это овал с большой осью, вытянутой вдоль направления действия максимальных нагрузок.
Вопрос о размерах зоны неупругих деформаций весьма важен для прогнозирования устойчивости маркшейдерских пунктов. Известно, что подавляющее большинство маркшейдерских пунктов закреплено на рамах крепи горных выработок. Нагрузка на крепь вызывается смещением породного контура выработки, которое, в свою очередь, зависит от размеров зоны пород, перешедших в состояние неупругих деформаций.
К.В.Руппенейт [91] считает размер зоны неупругих деформаций неявной функцией давления на контуре и физико-механических свойств пород, окружающих выработку.
Контур области неупругих деформаций дается уравнением:где Р0 - средний безразмерный радиус области неупругих деформаций, определяемый из соотношения: поправка к P0 , определяется из условия:
В таблице 2.6. приведены значения радиуса влияния выработки RL , вычисленные для наиболее характерных условий закрепления пунктов маркшейдерских сетей в Донецком бассейне по формуле [91]:где Ro - приведенный радиус выработки.глубины разработки.
В.И.Черняев [127, 128] считает,что в горных выработках, подверженных влиянию очистных работ, контуром, разделяющим упругую и пластическую области, является эллипс с полуосями (2 и О , Эллипс ориентирован по направлениям главных напряжений, причем большая ось расположена по направлению большего напряжения. Размеры области неупрутих деформаций вокруг выработки в зоне влияния очистных работ определяются по формулам [Ї28] :А// и A/? - главные напряжения в центре будущей выработки, вычисляются по компонентам полных напряжений; Р - реакция крепи; if - угол внутреннего трения; К - коэффициент сцепления;
В таблице 2.7. приведены значения соотношения Г/R при различных значениях глубины разработки Н и прочности пород беж. V - радиус области неупрутих деформаций.
Данные таблицы 2.7. свидетельствуют об определяющей роли глубины разработки и прочности вмещающих пород. Причем увеличение глубины разработки влияет более существенно на размеры зоны неупрутих деформаций при незначительной прочности пород (30-50
По результатам инструментальных наблюдений Ю.З.Заславский [29] вывел эмпирическую зависимость между смещениями пород кровли LIК и размерами зоны неупрутих деформаций и : & - прочность вмещающих пород на одноосное сжатие. Сближение боков выработки і/б (относительное смещение) определяется из выражения [29]: sгде /г - высота выработки.
Из приведенных выражений следует, что на величину смещенийпород и размеры зоны неупругих деформаций существенное влияние оказывают размеры горных выработок. Пункты опорных маркшейдерских сетей закладываются в магистральных выработках, размеры поперечного сечения которых больше второстепенных. Следовательно, уже сам выбор места закрепления пунктов предопределяет их устойчивость.
В таблице 2.8. приведены значения смещений контуров выработки и размеры зоны неупругих деформаций, вычисленные для различных горногеологических условий.
В работе [23] связь между размером зоны неупругих деформаций 6 , шириной выработки CL и отношением бсж/Кт Н выражена уравнением регрессии:где /Г/77- коэффициент концентрации напряжений тA&Z- дополнительное нормальное напряжение, обусловленное проведением выработки. Значение коэффициента Кт может изменяться от І до 3 в зависимости от горногеологических условий проведения выработки.
В таблице 2.9. приведены размеры зоны неупругих деформаций 6 вокруг выработки шириной 3,6 м при различных значениях коэффициента К л?, глубины Н и предела прочности пород на одноосное сжатие Є еж Размер зоны неупрутих деформаций б существенно зависит от значения коэффициента концентрации напряжений Km . Из таблицы 2.9. следует, что при увеличении Km от І до 2 размер 6 для средних значений глубины и прочности пород (И = 600 м, эсж = = 60 МПа) возрастает с 1,46 до 5,84 м.
Таким образом, на величину зоны неупругих деформаций вокруг выработок оказывают влияние и очистные работы.Анализ результатов расчетов, приведенных в таблицах 2.6. -2.9., свидетельствует о следующем.
Размеры зон неупругих деформаций вокруг выработок изменяются от 0,65 до 10-20 м в зависитлости от целого ряда горногеологических (глубина заложения выработки, прочность вмещающих пород) и горнотехнических факторов (размеры выработки, степень влияния очистных работ, отпор крепи).
В условиях Донецкого бассейна (средняя глубина работ превышает 600 м, наиболее распространенная горная порода - средне-устойчивый песчаный сланец с Єсж= 60-70 МПа) закрепить пункты маркшейдерских сетей за пределами зоны неупругих деформаций даже при отсутствии влияния очистных работ практически невозможно.
Для решения вопроса о рациональном закреплении маркшейдерских пунктов в горных выработках необходимо знать величину зоны проявления опорного давления. За границу зоны влияния опорного давления можно принять точки с нулевыми значениями смещений пород в выработку, либо со значениями, соответствующими проявлению горного давления в массиве. В исследованиях автор принял за границу зоны влияния опорного давления точки, где смещения породного контура соответствовали смещениям, обусловленным лишь проведением горной выработки.Размеры зоны влияния опорного давления в первую очередь зависят от взаимного расположения исследуемой горной выработки и очистных работ.Величина зоны проявления опорного давления на уровне разрабатываемого пласта /_о в условиях Донбасса может быть определена
Характеристика наблюдательных станций
Исследование влияния надработки на устойчивость маркшейдерских пунктов в условиях больших глубин и крутого падения были выполнены на шахте им.Артема ПО Дзержинскуголь.
Шахта им. Артема - типичная шахта Центрального района Донбасса, разрабатывает 16 крутопадающих пластов мощностью 0,5-2,2 м, угол падения 57-63. В настоящее время очистные работы ведутся на горизонте 980 м. Так как угольные пласты склонны к внезапным выбросах угля и газа, то на шахте принята полевая подготовка выемочных участков. На шахте поддерживается 50138 м горных выработок, из них 7615 м - полевые штреки. Значительная доля полевых штреков в общей протяженности выработок, их относительно большой срок службы делают эти выработки основным местом заложения пунктов маркшейдерских сетей - опорных и съемочных. Учитывая этот факт, а также возможность наблюдения надработки полевого штрека вышележащим пластом в целях разгрузки массива горных пород для предупреждения внезапных выбросов угля и газа, в полевом откаточном штреке пласта / гор.980 м были заложены 2 наблюдательные станции и в главном западном полевом штреке гор.980 м I станция, оборудованные глубинными реперами.
Полевые штреки пройдены в песчаном сланце средней устойчивости (беж = 60-70 МПа). Участок заложения наблюдательных станций не подвержен влиянию тектонических нарушений. Полевой откаточный штрек пласта /77 надрабатывается очистными работами пласта /77 мощностью 0,56 м. Разработка надрабатывающего пласта ведется сплошной системой. Выемка угля осуществляется отбойными молотками. Способ управления кровлей - удержание на кострах. Главный западный полевой штрек испытывает влияние надработки пластом [Л$ мощностью 2 м.
Расстояние между пластами /77 и /77j по нормали составляет 38 м. Полевой штрек расположен на расстоянии 6-6,5 м от почвы пласта /77j , а главный западный полевой штрек - в 70 м от полевого штрека пласта 777j . Породы междупластья представлены переслаивающимися пластами темно-серых устойчивых песчаных сланцев, среднеустойчивых темно-серых песчано-глинистых сланцев, крепких среднеустойчивых глинистых сланцев, темно-серых устойчивых песчаников. Схема наблюдательной станции № І в полевом штреке пласта
Каждая из наблюдательных станций в полевом штреке пласта /77j представляет собой две соосные скважины диаметром 105 мм, пробуренные перпендикулярно напластованию пород. Верхняя скважи -на имеет длину 12 м, нижняя -9 м. Станция В I заложена в 90 м от сопряжения полевого штрека с промежуточным квершлагом. Скважины были оборудованы реперами шарнирного типа (рис.3.2). Досылка репера на необходимую глубину осуществлялась с помощью ставов свинчивающихся штанг [бб]. Вращение штанги по часовой стрелке репер расширялся в скважине. Устья скважин оборудованы кондукторами длиной 0,5 м.
Измерения на станциях глубинных реперов начались, когда расстояние от очистного забоя пласта П1/, до скважин станции А I составляло 50 м. Развитие горных работ относительно наблюдательных станций Л I и Л 2 представлено на рис.3.3.
Комплекс наблюдений за смещениями и деформациями горных пород с помощью глубинных реперов заключается в инструментальных измерениях смещений реперов с одновременной привязкой этих смещений к пространственному положению влияющего забоя и фиксацией времени взятия отсчета. С помощью штангенциркуля определялись смещения реперов относительно кондуктора. Рулеткой ВНИМИ определялись смещения реперов относительно наиболее удаленного репера I. Абсолютные смещения реперов определялись техническим нивелированием штоков реперов. Измерения выполнялись 4-6 раз в месяц. Для уменьшения влияния ошибок измерений на протяжении всего периода наблюдений применялись одни и те же инструменты. Замеры выполняли одни и те же исполнители.
Нивелирование выполнялось самоустанавливающимся нивелиром ) НС-3. За исходные пункты были приняты высотные реперы Ш и ІУ, расположенные на промежуточном квершлаге в 10 м от сопряжения с
полевым откаточным штреком пласта /7. Перед каждым нивелирова-; нием штоков определялось превышение между пунктами Ш и ІУ, чем контролировалась их неподвижность. Нивелирный ход прокладывался , дважды - в прямом и обратном направлениях. Фактические невязки в ходах нивелирования не превышали допустимых значений, предусмот-ренных Инструкцией [l04]Ak = ±50fiL, мм,где L - длина хода в км.
Нивелированием определялись вертикальные смещения штоков реперов А В . Смещения вдоль оси скважины А , т.е. перпендикулярные на пластованию пород, вычислялись по формуле: А Аъ j SLflS, где S- 27 - фактический угол наклона скважины к горизонту.
Измерения на станции в главном западном полевом штреке выполнялись по такой же методике. Исходными пунктами для нивелиро I вания служили также точки Ш и ІУ.Украинским филиалом ВНИМИ были проведены исследования процесса деформирования надрабатываемой толщи на шахтах имени В.И. Ленина, имени М.И.Калинина, "Комсомолец", ПО "Артемуголь" на глубине 850 м [б1,65]. Скважины бурились из группового полевого откаточного штрека гор.860 м (шахта им.В.И.Ленина), из восточного группового штрека гор.850 м и полевого штрека пласта 171 Q гор. 850 м на указанных шахтах соответственно.
Исследования устойчивости пунктов маркшейдерских сетей в выработках, не испытывающих влияния очистных работ, были выполнены на шахтах "Мушкетовская" и им.М.Горького производственного объединения "Донецкуголь" с помощью глубинных и контурных реперов.
Шахта "Мушкетовская" разрабатывает свиту из 6 пологопадающих угольных пластов на глубине от 430 до 600 м. Мощность пластов 0,6-1,2 м. Вскрытие осуществлено 2 вертикальными стволами до го ризонта 415 м. Нижележащие горизонты вскрыты уклонами. Для шахт Донецко-Макеевского района характерно увеличение глубины работ за счет отработки уклонных полей. На шахте "Мушкетовская" доля уклонов и ходков в общей протяженности вскрывающих и подготавливающих выработок, пройденных в 1983 г., составила 28$.
Станции глубинных и контурных реперов были заложены в центральном уклоне пласта / и его ходке на глубине 630 м. Ситуационный план расположения станций представлен на рисунке 3.4.
Центральный уклон и его ходок пройдены по пласту / мощностью 0,7 м с верхней подрывкой. В кровле пласта залегают слабоустойчивый глинистый сланец (Єсж - 40 МПа) мощностью 0,7 м и крепкий песчаный сланец (6сж= 70 МПа) мощностью 8,3 м. Непосредственной почвой пласта / является крепкий песчаник {беж = 90 МПа) мощностью 2 м.Шарнирные реперы были заложены в скважины диаметром 42 мм, пробуренные в кровлю и бока выработки на глубину 4 м. Устья скважин оборудовали кондукторами длиной 0,5 м.
Контурные реперы были заложены в шпуры глубиной 0,6 м в кровле и в боках выработки, а дополнительно в кровле выработки были заложены контурные реперы на глубину 0,3 м - на такую глубину рекомендует Инструкция [l04] закладывать постоянные маркшейдерские пункты. Схема наблюдательной станции в центральном уклоне дана на рисунке 3.5.В уклоне и его ходке было оборудовано по две наблюдательные станции глубинных и контурных реперов. Измерения начались при удалении забоев уклона и ходка от станций на 15 м. Периодичность их составляла 3-4 раза в месяц при расстоянии до забоя 15-70 м и 1-2 раза в месяц, когда забой удалился на расстояние более 70 м.Комплекс измерений включал определения смещений глубинных реперов относительно кондукторов скважин с помощью штангенцирку
Расчет смещений с учетом пространственного характера развития очистных работ
Метод определения напряженно-деформированного состояния около очистных выработок с учетом пространственного характера развития работ разработан И.А.Зубковой [з ]. В качестве математической модели среды была принята модель линейно-упругой однородной среды. Как показано в исследованиях В.С.Сидорова и Н.А.Филиппова _П5_], в условиях, аналогичных выбранным для расчета, слоистость горного массива можно не учитывать (утол падения не превышает 30, имеет место полное сцепление, надра-батываемая толща сложена слоями пород примерно одинаковой мощности) . Упругая модель соответствует условиям деформирования надрабатываемого горного массива и при численной реализации позволяет решать плоские и пространственные задачи о распределении напряжений, деформаций и смещений около систеглы очистных выработок.
Надежность расчетов во многом зависит от правильности задания граничных условий. Границей, на которой они задаются, служит плоскость отрабатываемого пласта. Граничные условия на почве очистной выработки определяются напряжениями нетронутого состояния массива горных пород, мощностью вынимаемого пласта, геометрическими параметрами выработок. При определении граничных условий на почве очистной выработки используется предложенный во ВНИМИ [77] способ задания нагрузок, основанный на применении углов давления б, полученных из обобщения данных шахтных и лабораторных экспериментов.
Пространственный характер задачи определяется параметром где 24 - размер очистной выработки по простиранию;2Ло- ширина очистной выработки.
Схема к учету граничных условий представлена на рис.4.1.Влияние взаимодействия кровли и почвы пласта характеризуется безразмерными напряжениями [7б]:где 0/ а 3 - параметр сдвижения.
Наличие зоны предельного состояния угля в расчетах не учитывалось, так как расстояние h от почвы пласта до кровли недорабатываемого штрека составляет 12,5 м, что больше 2 (2 (а - ширина предельной зоны). А в соответствии с принципом Сен-Венана [7б] перераспределение напряжении в зоне опорного давления сказывается по глубине приблизительно на двойную ширину предельной зоны.бкує - прочность куба угля стандартных размеров;Численно д= 5/ і5 =5д; &=ЦЩ- = 6м.
Аналитический метод расчета напряженно-деформированного состояния массива горных пород основан на использовании теории упругости для полупространства и теории предельного равновесия для краевой части пласта. Решение поставленной задачи осуществляется методом граничных интегральных уравнений (ГИУ). Метод ГИУ - современный вычислительный метод прикладной механики [44]. Суть метода состоит в сведении краевой задачи для дифференциальных уравнении к интегральному уравнению по границе области. Сведение задачи к граничному интегральному уравнению позволяет на единицу понизить ее размерность и тем самым дает возможность при имеющихся вычислительных средствах рассматривать более сложные классы задач, чем те, которые можно решать иными методами.
Достоинством этого метода является также и то, что он позволяет сразу определить неизвестные величины на границе, не вычисляя их во всей области, как это требуется в других методах. Если же необходішо найти решение в произвольной внутренней точке области, то для этого достаточно выполнить интегрирование .
Для изолированной очистной выработки 5] в плоскости отрабатываемого пласта связь напряжений Є і и смещений Ш дается интегральным уравнением [ 34]:где К - матричный оператор.
Расчет напряжений около выработки включает решение двух задач. Первая состоит в определешш напряжений в плоскости отрабатываемого пласта. Напряжения 6у , нормальные к напластованию, определяются из соотношения [зз]:где X,Y,Z- пространственные координаты;, /? - координаты граничной плоскости;А тт + -nh - оператор Лапласа; dXz cLY2,У- соответственно модуль упругости и коэффициент Пуассона вмещающих пород; U(S,y- нормальные к плоскости напластования смещения где буо(Х, Z)- граничные условия в области выработанного пространства , 6уо(К, Z ) = К І УН f(X, Z );
Ki - cos2o{ І-A sia2J\; ck - угол падения пласта; 4(X,Z) нагРУзка на почву выработки от дйствия весаподработанных пород. Вторая задача состоит в определении напряжений в массиве горных пород вне отрабатываемого пласта. Зная напряжения, можно определить смещения в любой точке надработанного массива:
Численная реализация приведенного метода осуществлена с помощью ЭВМ серии ВС. Программа [55] позволяет рассчитывать напряжения, смещения и деформапии в массиве горных пород, подверженном влиянию очистных работ.
Расчетная схема представлена на рис.4.2. Система координат помещается в плоскости отрабатываемого пласта так, что ось ОХ направлена вкрест простирания, ось 0Z - по простиранию, ось 0Y - перпендикулярна напластованию и направлена в сторону земной поверхности. 71-я западная лава пласта IQ имеет форму прямоугольника, этот прямоугольник был разбит на квадраты со стороной 10-40 м. Точки в массиве горных пород, в которых вычислялись напряжения и смещения, заданы координата
Разработка оптимальной конструкции маркшейдерских центров
Одним из основных направлений в области совершенствования крепления горных выработок является разработка крепей и способов поддержания выработок, использующих несущую способность окружающего выработку массива горных пород. К числу таких крепей и способов поддержания относится анкерная крепь и химическое укрепление приконтурной зоны выработки.
Принцип анкерования состоит в обеспечении устойчивости прилегающих к выработке пород за счет нетронутого массива, расположенного за контуром неупругих деформаций, и за счет непосредственного увеличения несущей способности этих пород путем скрепления отдельных слоев или кусков анкерами, закрепляемыми различными способами в пробуренных скважинах. Впервые анкерная крепь была применена на шахте "Фриденсгрубе" (Верхняя Силезия) в 1912 г. В СССР анкерную крепь начали использовать на апатитовых рудниках с 1940 г. [l29] .
В последние годы в отечественной и зарубежной практике анкерная крепь находит все более широкое применение. Однако методы закрепления маркшейдерских центров, регламентированные Инструкцией [l04] , не учитывают новых направлений в технологии крепления горных выработок.
В сложных горногеологических условиях крепление выработок анкерной крепью в сочетании с рамной снижает затраты на их ремонт в 3-4 раза. В работах [52,129,130] указывается, что при креплении выработок смешанной крепью давление пород на крепь и величина смещений пород кровли уменьшается в результате упрочнения пород анкерами.
Среди разнообразных конструкций применяемых анкеров наибольшее распространение в отечественной и мировой практике получили анкеры распорного типа. Все шире применяются сталеполимерные анкеры, которые состоят из стержня, шайбы с гайкой и полиэтиленовой или стеклянной ампулы с быстротвердеющим химическим раствором, обеспечивающим после отвердения сцепление стержня с горными породами. На рис.5.2 приведены основные виды анкеров, которые возможно использовать для закрепления маркшейдерских центров.
В практике горных работ возникает необходимость улучшения свойств горных пород, например, при освоении обводненных месторождений, при пересечении горными выработками геологических нарушений. Чаще всего это достигается цементацией вмещающих пород, т.е. подачей жидкого цементного раствора вглубь массива горных пород, окружающих выработку. Традиционное цементирование не всегда эффективно вследствие длительного времени схватывания раствора и влияния агрессивных вод.
В настоящее время начал применяться химический способ укрепления приконтурной зоны выработки, а в особо сложных условиях -и глубинное упрочнение пород. Путем инъекции растворов на основе смол укрепляют мелкозернистые и тонкотрещиноватые породы.
В СССР первоначально применяли карбомидные смолы, затем перешли к эпоксидным и полиэфирным, обеспечивающим высокую прочность, незначительный расход смолы и устойчивость в щелочной среде. В ИГД им.А.А.Скочинского проведены исследования по определению возможности использования эпоксидных смол, модифицированных рядом веществ, для улучшения отдельных свойств раствора, в частности, получены хорошие результаты при применении смеси БИ-4С, содержащей 30$ эпоксидной смолы.
Важным свойством полимерных составов является способность проникать под давлением в трещины поверхностного слоя пород выработок. В работе [бО] приведен пример, когда смолоинъекпионное упрочнение снизило деформации пород кровли в 3 раза. Это свойство имеет большое значение для рационального закрепления пунктов подземных маркшейдерских сетей, т.к. в этом случае можно обеспечить практическую неподвижность пункта при незначительной глубине его закрепления.
За рубежом, в первую очередь, в ФРГ, также проводится исследование и внедрение более совершенных способов упрочнения вмещающих пород. Так, в работах [134,135,136] приведены результаты применения синтетических смол для тампонажа трещиноватых пород. Институтом "Бергбау-Форшунг" (ФРГ) разработан способ укрепления горных пород полиуретаном - оптимальный способ с точки зрения технологичности и рентабельности для сложных горногеологических условий.
В настоящее время создано две технологии - патронная и нагнетательная. Первая предусматривает разрушение патронов со смолами в скважине с помощью буровой машины и герметизацию этой скважины. Вторая - нагнетание с помощью насоса в породный массив компонент, которые смешиваются непосредственно перед скважиной в смесителе.
На шахтах Донецкого бассейна уже применяются синтетические полимеры-полиуретаны, получаемые в результате реакции двух компонент: полиизоцианатов и многоатомных спиртов (полиолов).Для упрочнения окружающих пород при проведении квершлага на пласт ky через Французский надвиг на шахте им.М.Горького ПО
