Введение к работе
Актуальность работы. Экономическое и социальное развитие Украины тесно связано с возрастанием значения угля в топливно-энергетическом балансе. В условиях ограничениях его запасов особую актуальность приобретает проблема отработки пластов под зданиями, сооружениями и природными объектами, под которыми залегает более 2 млрд. тонн высококачественного топлива.
На угленосных территориях бассейнов расположены крупные
города, промышленные комплексы, транспортные коммуникации, Из
влечение запасов угля из недр под застроенными территориями,
обеспечение безопасной эксплуатации объектов, подлежащих подра
ботке может быть достигнуто на основе надежного прогнозирова
ния сдвижений и деформация земной поверхности во время . их
развития. Поэтому научное обоснование и разработка способов
управления деформационными процессами в динамической мульде,
основанных на расчетах деформации земкой поверхности при подзем
ной разработке угольных пластов,представляет собой важную народ
нохозяйственную проблему, что свидетельствует об актуальности
диссертационной работы. _
Целью работы является разработка способов управления деформационными процессами в динамической мульде, базирующихся на расчетах сдвижений земной поверхности и обеспечивающих повышение полноты извлечения запасов угля из недр и безопасную эксплуатацию подрабатываемых объектов.
Идея работы заключается в использовании закономерностей развития деформации земной поверхности во времени для разработки технологических режимов ведения горных работ педсоору-жениями при рассмотрении непрерывно изменяющейся в пространстве системы "движущийся очистной забой — динамическая мульда".
Методы исследований. Поставленная в диссертационной работе цель достигается на основе применения комплекса современных методов исследований, вклачавдих анализ и обобщение маркшейдерских частотных наблюдений за сдвикением земной поверхности и толщи горных пород, за деформациями зданий в динамической мульде, аналитические исследования с использованием методов механики сплошных сред, теории вероятностей и математической статистики. Использованы современные ЭВМ при анализе влияния различных
геотехнических факторов на деформационные процессы, при науч
ном анализе и научной апробации на горных предприятиях и в
проектно-конструкторских организациях разработанных рекоменда
ций. ,
Основные научные положения защищаемой работы
1. Прогнозирование деформаций земной поверхности осуще
ствляется на основе исследований деформационных процессов в
динамической мульде сдвижения.
Эти процессы реализуются во времени под влиянием движущегося очистного забоя в пределах технических границ выемочного участка; развитие деформаций во времени происходит в три этапа: нарастание деформаций от нуля до максимального значения, уменьшение их от максимума до стабильной величины, или до нуля, последующая перемена знака в зависимости от расположения подрабатываемого участка (зоны) относительно границ горных работ, причем перемена знаков деформаций и их величины функционально связаны с положением системы "движущийся очистной забой -. динамическая мульда".
Выявлению закономерности положены в основу комплексного методического подхода при разработке расчетных схем и определении параметров деформационных процессов и способов управления или.
2. Деформирование в динамической мульде прогнозируемого
плоского дна (вторая зона) по направлению движения забоя проис
ходит асимметрично, при этом максимальные величины сжатий земной
поверхности, их скорости и продолжительность сжатий в 1,7-2 раза
больше, чем при растяжении.
С использованием этих закономерностей обоснованы параметры и условия управления деформационными процессами путем компенсации деформаций разных знаков при выемке запасов угля в свите пластов под зданиями и сооружениями.
3. Величины и направления смещений, траектории движения
элементов земной поверхности, места концентрации их экстремаль
ных значений зависят от горнотехнических факторов, что позволя
ет управлять деформационными процессами: величина уменьшения гра
ничных динамических углов прямо пропорциональна увеличению отно
шения размеров выработанного пространства к глубине разработки,
коэффициенты типовых кривых функционально связаны со временем,
прошедшим после начала процесса сдвижения, расстояние от мест
сосредоточения экстремальных значений деформаций в динамической мульде находятся в пряной зависимости от глубины разработки.
На этой основе разработан комплекс схем и определены параметры, обеспечивающие снижение вредных последствий подземных разработок на охраняемые объекты.
Ч. При разработке угольных пластов в сложных горно-геологических уоловиях(наличие тектонических нарушений, неустойчивые породы кровли) и управлении горным давлением способом плавного опускания кровли величины параметров процесса сдвижения земной поверхности зависят от коэффициентов полноты извлечения запасов угля по мощности и по площади. При потерях угля по мощности величины деформаций земной поверхности находятся в линейной зависимости от коэффициента извлечения, а при потерях по площади - в квад-ратической, что позволило управлять процессами.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью постановки и решения задач; большим объемом многолетних частотных маркшейдерских измерений в различных горно-геологических условиях, выполненных в соответствии с общепризнанными методиками измерений, вычислений, анализа и обобщений; применением апробированных фундаментальных соотношений механики сплошных сред с учетом физических процессов горного производства, методов теории вероятностей и математической статистики; удовлетворительной сходимостью расчетных параметров деформационных процессов земной поверхности над движущимся забоем с их измеренными значениями (отклонение экспериментальных от расчетных величин параметров деформационных процессов не превышает 18-23$ при надежности 0,95); положительным опытом внедрения основных результатов технических решений и'рекомендаций в производственных условиях.
Научная новизна работы заключается в следующем: t - установлены закономерности развития деформационных процессов, проявляющихся в образовании на земной поверхности трех зон, отличающихся по характеру и особенностям их влияния на подрабатываемые объекты; это позволило сформулировать основные принципы управления деформационными процессами путем выбора рациональных технологических параметров очистных забоев при выемке угля под застроенными территориями;
выявлены и описаны неизвестные ранее формы цикличного нарастания, затухания и стабилизации деформационных процессов в динамической мульде и определены основные параметры процессов, периоды смены циклов и показано, что продолжительность-циклов находитоя в прямой зависимости от глубины разработки и в обратной - от скорости подвигания очистного забоя. На основании этого решена задача снижения интенсивности ньрастания деформаций в зависимости от чувствительности к ним подрабатываемых объектов;
установлены характерные отличия динамической мульды сдвижения от статической, выражающиеся в асимметричности ее развития, в частнооти в значительном (1,7-2 раза) превышении величин скорости и продолжительности горизонтальных деформаций в период сжатий по сравнение с периодом растяжений, на основе чего разработаны схемы управления деформационными процессами в динамической мульде сдвижения;
выявлены закономерности деформаций и разработан новый подход к расчету параметров управления деформационными процессами на сопряжениях первой и второй зоны динамической мульды, базирующийся на оценках взаимного расположения подрабатываемых обгектов и линий движущихся очистных забоев;
впервые разработана модель расчета параметров деформационных процессов взаимодействия системы "движущийся очистной забой - динамическая мульда* с использованием пространственно-временной системы координат, при этом установлено, что компенсация деформаций разных знаков на земной поверхности в прогнозируемом плоском дне при разработке свиты пластов может быть произведена частично как по величина, так и по времени их воздействия. Условием достижения полной компенсации величин горизонтальных деформаций является снижение вынимаемой мощности пласта и увеличение скорости подвигания очистного забоя в выше разрабатываемом пласте.
Значение работы. Научное значение работы заключается в установлении закономерностей развития деформаций земной поверхности во времени и пространстве под влиянием движущегося очистного забоя, в углублении и развитии представлений о деформационных процессах в динамической мульде и создании на этой основе способов управления взаимодействием системы "движущийся очистной забой - динамическая мульда".
Практическое значение работы заклрчаогся а создании методик расчета параметров деформационных процессов, обеспечившзди более эффективное извлечение запасов угля под застроенным территориями, разработка новых схом управления деформационными процессами, методических и нормативних документов по прогнозирование этих параметров.
Реализация результатов исследований. Результати заполненных исследований использованы: в отраслевой нормативном документе, составленной при участии автора - "Методические указания по раочету деформаций земной поверхности во времени и горно-гоомот-ричаскоиу прогнозировоїш) охраны пойм рек при подземной разработ-> ко угольных пластов в Западном Донбассе" (утворадены Минуглепро-нои 7крайни); в "Правилах охрани сооружений и природних объектов во Львовско-Яодынском боссойне" и "Правилах охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок в Донецком угольном бассейне", составлениях УкрНИМИ (утверждены Минуглепроиом СССР); в "Правилах охраны сооружений- и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях", составленных ВЕШИ (утверждены Минуглепроиом СССР); в специальных проектах выемки угля под застроенниии территориями над горными выработками во Львовохо-Эолынском бассейне, составленных институтом "УкрНШпроект"; в проектах выемки угля под сооружениями в Западном Донбассе, составленных институтом "Днепрогипровахт"; в проектах выемки угля под железными дорогами на шахтах "Стопная", "Благодатная", "Павдоградская"; в проектах подработки плотины шахтой "Самарская" ПО "Павлоград-уголь". Внедрение результатов исследования привело к увеличении срока службы Этих шахт, получен реальный экономический эффект в оумме 2 млн, руб. в ценах до 1987 г., а на шахтах Львовско~ Волынского бассейна извлечено дополнительно под застроенный» территориями 3 млн. тонн угля.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доло-яены, обсуждены и получили одобрения на: Всеооизном научно-техническом совещании "Задачи маркшейдерских служб в связи о усложнением горно-геологических условий разработки месторождений полезных ископаемых" (Донецк, І99І г.), Международном семинаре "Автоматизация и контроль технологических процессов горно-металлургического производства (Днепропетровск, 1992 г.), научной коифереи-
ции вузов Украины "Маркшейдерское обеспечение горных работ" (Донецк, 1992 г.), заседаниях секции научно-технического совета Минуглепрома УССР (Донецк, 197а, I960, 1983 гг.), заседании секции ВНИМИ (Ленинград, 1982 г.) заседании комитета Госгертехнад-эора УССР (Киев, 1982 г.), республиканской научно-технической конференции по маркшейдерскому делу (Павлоград, 1974 г.), республиканской научно-технической конференции по охране зданий и сооружений от влияния подземных раэраОоток (Днепропетровск, . 1975 г.). заседании секции сдвижения горных пород и земной поверхности Украинского филиала ВНИМИ (Донецк, I975-I98Q гг.), научно-техническом совещании "Совершенствование маркшейдерскоі* службы на горных предприятиях Урала (Свердловск, 1974, 1976 гг.). заседании секции охраны недр ученого совета ДонУГИ, научной конференции вузов Украины "Маркыейдерское обеспечение горных работ" (Донецк ,1992,1993,199 гг)
Публикации. Основные научные результаты, изложенные в диссертации, опуоликованы в 32 научных трудах, в том числе одной книге, 2-х брошюрах и 4-х нормативных документах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка использованной литературы из 219 наименований и приложений. Она содержит 329 страниц машинописного текста, 35 рисунков и 28 таблиц.
