авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 || 7 | 8 |

«М ИНИ СТЕРСТВО ЭН ЕРГЕТИ КИ РО ССИ ЙСКОЙ Ф ЕДЕРАЦИИ РОССИ ЙСКАЯ АКАДЕМ ИЯ НАУК Н А У Ч Н О -И С С Л Е Д О В А Т Е Л Ь С К И Й И Н С Т И Т У Т Г О РН О Й Г Е О М Е ...»

-- [ Страница 6 ] --

3. Козел А.М. О ценка устойчивости пород в вертикальном шахтном стволе при изме­ нении коэф ф ициента бокового давления в массиве //Г о р н о е давление, горные удары и сдви­ жение массива. СПб.: В Н И М И, 1994. С. 100-112.

4. Козел А.М. Д еф орм ационная модель работы анкеров с крепью подземных сооруж е­ ний в твёрдом грунте // М атематическое моделирование, численные методы и комплексы программ. СПб. : СП бГА СУ, 2002. С. 50-59.

5. Козел А.М. О работе анкеров в системе крепи //Горны й журнал. 2003. № 11. С. 31-35.

6. Козел А.М. Н есущ ая способность крепи вертикального шахтного ствола с оболоч­ ками разной жёсткости // Горное давление, горные удары и сдвижение массива тр. СПб.:

ВН И М И, 1994. С. 92-99.

-1 8 3 Д -р техн. наук А.В. ДЖ ИГРИН, д-р техн. наук, проф. С.Е. ЧИРКОВ, д-р техн. наук Б.К. НОРЕЛЬ Н Н Ц Г П - Институт горного дела им. А.А. Скочинского ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СОСТОЯНИЯ МАЛОПРОЧНОГО УГОЛЬНОГО ПЛАСТА* О своение пластов полезных ископаемых на глубоких горизонтах, выемка на крутых и пологих пластах с повышенной газоносностью, горные работы в районах К райнего Севера и другие условия создают трудности и в практике и в теории добычи полезного ископаемого. Дело в том, что при выполнении горных работ, соверш аю щих казалось бы, незначительные воздействия на локальную зону по­ родного массива и полезного ископаемого, породы разруш аю тся таким образом, что вовлекают в движ ение значительные зоны породного массива. Такие прояв­ ления горного давления в сложных горно-геологических условиях при перераспре­ делении напряж енно-деформ ированного состояния в породном массиве форми­ руют так называемые зоны «предельных» состоянии (или зоны «запредельных»

деформаций) и реализуют значительные динамические явления.

К рупные ученые-механики часто обращались к реш ению задач по проблемам горного давления, работами которых были выделены в массиве вблизи выработок зоны различных напряж енно-деформ ированны х состояний: зона «нетронутого»

массива;

зон а «активного» нагружения, где трехосное н ап ряж енн ое состояние формирует максимальные сжимающие напряжения;

зона «пониженного» напря­ жения и значительных деформаций, которую называю т зоной «предельных» со­ стояний.

Значительное деф ормирование и формирование зон «предельных» состояний (зон разруш ения) обуславливается протеканием ф изических процессов измене­ ния энергетических состояний в массиве. Уместно привести положение В.Н. Ро­ дионова с сотр. «П ородный массив находится в состоянии движения, а не покоя, и его стационарные состояния характеризуются потоком диссипируемой энергии.

Отсю да вытекаю т новые задачи геомеханики: во-первых, исследование стацио­ нарных состояний и их устойчивости;

во-вторых, анализ переходных процессов из одного стационарного состояния в другое» [1]. Е.И. Ш ем якин [2, 3] предложил использовать в качестве перехода в новые состояния критерий прочности, па­ раметрами которого являются среднее напряжение (б.р), максимальное касательное * Работа выполнена при поддерж ке РФ Ф И, грант № 08-05-00049а т = л (a i а з ) ) и параметр Н адаи - Лоде (ц). П ри оценке «повреж денности» можно использовать такж е пространственный паспорт прочности для сложного напряж енного состояния, одной из координат которого (паспорта проч­ ности) является (ц).

В отличие от исследований В.Н. Родионова авторы настоящ ей публикации (в связи с наш им недостаточным владением м атериала) не останавливались на анализе ф изической модели твердого тела и физических постулатах механических моделей. Н аш и разработки касались конкретных полож ений механической моде­ ли горной породы и угольного пласта в условиях объемного напряженно-деформи рованного состояния. П реж де всего в механическую модель напряженного состоя­ ния угольного пласта включена зависимость изменения промежуточного главного напряж ения (б2), (для трехосного напряженного состояния, действующего в уголь­ ном пласте от зоны «нетронутого» массива до выработки), дополняю щ его эпю ру минимального сжимающего напряж ения (б,), (по направлению из массива к вы­ работке) и эпю ру максимального сжимающего напряж ения (б3) (по направлению выш ележащей толщ и пород к пласту).

Схематичный характер изменения осевых напряжений опорного давления при приближении к забою представлен в работе [4, рис. 2.14]. В зоне «нетронутого»

массива (б2) устанавливается равным (б,). В зоне максимальных сжимающих на­ пряжении (б2) равно полусумме главных напряжений, т.е. — {&\ + сгз) В окончании зоны «доразрушения» величина (б2) стремится к значению (б3).

К лассиф икация трехмерных тензоров объемного напряж енного состояния А. Н адаи [5] определяет главные виды напряженного состояния: «обобщенное»

сжатие;

«обобщ енный» сдвиг;

«обобщённое» растяжение в форме:

«обобщенное» сжатие б2 = б, (цо = -1 ) 1 0 0 грСЖ 0 0 1 0 5, 1Н = *.

— 0 0 0 5.

«Обобщенный» сдвиг б2 = — (^! + Оу ) (ря = ) о дх о о о О О 1 -е да о + т((Т1- с з)° т 0 0 ;

(i) О | ( ^ 1+СГз) О О 1 0 0 - о о & -185 «обобщённое» растяж ение (ца = + 1 ) 0 0 0 1 0 5, грСЖ "О 0 0 0 1 0 0 0 + и ^ С 1Н — П 0 0^3 0 1 0 0 Отличительной особенностью использования парам етра Н адаи - Лоде в ма­ тематических моделях механических свойств твердых тел при определении видов напряженных состояний необходимо находиться в рамках алгебраического нера­ венства б, б2 б3 всегда. Т о ж е самое относится к неравенству для главных де­ формаций. Если ж е величина одного из напряж ений наруш ает алгебраическое неравенство, то следует перенумеровать действую щ ие н ап ряж ен и я и изменить нумерацию осей напряж ений. П ри этом объемное н ап ряж енн ое состояние ста­ новится с изменяю щ имся видом нагружения и переходит в классификацию слож­ ного нагружения.

Таким образом, величина параметра Н адаи - Лоде определяет вид объемного напряженного состояния. П о величине параметра Надаи - Лоде для реализуемого деформирования определяется и вид деформирования. П арам етр цо использовал­ ся в паспорте прочности Е.И. Ш емякина.

Центральным и важным результатом экспериментов по определению ме ~ механических свойств углей и горных пород при действии объемного напряженного состояния на установках трехосного неравнокомпонентного сж атия (У ТН С ) сле­ дует считать определение видов объемного деформированного состояния и видов разруш ения горных пород и углей. П ри этом, виды нагружений и деформаций и параметры Н адаи - Лоде должны быть включены в перечень основных механи­ ческих свойств углей и горных пород.

М етодическая сущность проведенных механических испытаний на малопроч­ ных углях заклю чалась в возможности установления новых характерных механи­ ческих показателей и параметров энергетической ф ункции образцов углей. В ка­ честве аппаратуры при проведении механических испытаний использовались две установки трехосного неравнокомпонентного сжатия. Н а установке Д онецкого физико-технического института А Н УССБ [6 ] независимо регулируются главные напряж ения б,, б2, б, и фиксируются перемещения, пересчитываемые на деф орма­ ции е,, е2, е3. П ределы регулирования для призматических образцов с ребром равным 50 мм от 0,1 до 500 М П а. В установках УТНС, изготовленных и эксплуати­ рующихся в И Г Д им. А.А. Скочинского, также возможно нагружение образцов по схеме б, # б2 # б3 [7, 8 ].

П ри обработке результатов испытаний [9] оперируем терминами феномено­ логической механики сплошных сред. Величины б,, б2, б3, получаемые в результа­ те механических испытаний на У ТН С, являются напряж ениям и сжатия, поэтому им присваивается знак минус. То ж е самое относится и к величинам деформаций.

В таблице 1 п риводятся эксперим ентальны е данны е механических испытаний образов угля марки «Т» на У Т Н С Д онФ Т И при виде объемного напряж енного состоян ия «обобщ енного» сдвига при постоянном м иним альном сж имаю щ ем напряжении б, = -20,6 М П а, начиная с третьей отметки [9].

О бращ ает на себя внимание тот факт, что при всех сжимающих напряжениях, начиная с 8 -го номера, реализуется деформация растяж ения е,. Таким образом, - 186 при всех сжимающих напряжениях формируется процесс растягиваю щ ей деф ор­ мации даж е при значительных минимальных сжимающих напряж ениях - 20,6 М Па.

Этот результат м ож ет свидетельствовать о реализации процессов накопления по­ вреждаемости в образце.

Таблица I Изменение величин напряжений и деформаций образца угля марки «Т»

при напряженном состоянии «обобщенного» сдвига (ца = 0) № п.п. - б2 МПа, - б,, МПа - б,, МПа - е2, % - е3,% - Ер % 1 0,4 9,71 0, 0,4 5, 3, 16,2 0, 2 0,8 10,5 0, 10, 41,9 2,25 70,1 3, 3 20,6 1, 4 1,09 52,3 2,60 91,7 3, 20, 0,82 62,8 2,91 113 4, 5 20, 73,2 3, 6 20,6 0,50 135 5, 3, 20,6 0,25 83,7 156 6, 8 -0,63 88,9 3,38 6, 20, -1,02 3,42 7, 9 20,6 94,2 10 -1,59 99,4 3,48 189 7, 20, Для получения постоянных механической модели твердого тела (в том числе горных пород и углей) необходимо определить комплекс показателей и парам ет­ ров энергетической системы - функции механического состояния, перем енны е которой определяю т деф орм ирование и разруш ение образцов пород и горных массивов от реального объемного внешнего нагружения.

К характеристикам вида напряженного и деф ормированного состояния от­ носятся параметры Н адаи - Лоде для напряжений и деформаций 2(72 ~ (х, + |?з) 2е2 —(g] + f-'з) К,= ;

к = (2 ) 1_ з Объемное напряж енное состояние и объемное деф орм ированное состояние характеризуют инварианты напряжений и инварианты деформаций:

1„ = б, + б2 + б3;

П = б, б2 + +,;

(3) 6,6 3 Iе =, + е, + • II е =, 18 2 + 8, 28 3, + 8. 38 1,.

, 8 8 1 2 3’ Связь между напряж ениям и и деформации в объемном напряженном состо­ янии устанавливается посредством величин объемного модуля К и модуля сдвига G:

LL, К= (4) ;

G = з/ (l + V ) 2 p c - 3 I I c -1 8 7 Эти показатели могут быть описаны достаточно простыми математическими формулами, если тензоры Ти и Т пропорциональны или подобны. Используя фор­ мулы 2, 3, 4, рассчитываем величины предельных энергетических параметров Wa и 1Уф. для каждого вида напряженного состояния.

Для данного опыта М йж ЛЮЖ и '" = 1,48 ! м * ~ - (5) Фактическими видами разрушения образцов, которые представлены на ри­ сунках 1 и2,являются отслоения (разрушение при «обобщённом» растяжении) и сдвиговое разрушение (при «обобщённом» сдвиге).

В таблице 2 представлены расчеты механических характеристик энергети­ ческой системы - функции состояния образца угля марки «Т» под действием объем­ ного напряженного состояния «обобщённого» сдвига.

Рис. 1. Вид разрушения образца Рис. 2. Вид разрушения образца угля марки «Т»

угля марки «I» при нагружении при нагружении «обобщённым» растяжением «обобщённым» сдпигом (цо = 0) (pn= +1 ) Таблица Изменение величин механических характеристик образца угля марки «Т»

под действием объемного напряженного состояния (ца = 0) е.% К, МПа G, МПа № п.п. б,., МПа Кс К 0,006 1 5,4 0,5 1460 2 5,8 0,0093 1,0 1, 0,0110 0 1967 3 0, од 0,0165 4 62 0,01 0,223 0,08 5 80 0,08 99 0,08 0,0286 0,09 2481 0,04 7 117,3 0,08 0,0357 126,9 0,07 0,0431 0,06 8 0, 9 136,5 0,06 0,09 3085 145,9 0,06 10 0,051 0, В процессе деф орм ирования образцов угля в объемном напряж енном сос­ тоянии мож но выделять участки, где наблюдаются различные скорости деф орм и­ рования и различные скорости изменения величин напряжений. Д ля образцов угля нагружаемым по программам «обобщённый» сдвиг и «обобщ ённое» растяжение величины парам етра Н адаи - Лоде для напряж ений и деф орм аций отличались незначительно вплоть до разруш ения образцов. Вид разруш ен ия об разц а при «обобщ ённом» сдвиге соответствовал виду разруш ен ия сдвигом (см. рис. 1 ), а вид разруш ения отры вом (отколом см. рис. 2 ) соответствовал испытанию образца «обобщенным» растяжением.

Укажем, что подробное описание механических испытаний представлено в работах [8, 9]. Н овы е зависимости влияния различных ф акторов на прочность гор­ ных пород при пространственном нагружении представлены такж е в работе од­ ного из авторов статьи [7]. П о результатам испытаний делается вывод о том, что возможно осущ ествлять моделирование и условий нагружения условий деф орм и­ рования и разруш ения в зоне «предельных» состояний угольного пласта от реали­ зации максимума опорного давления до конца зоны «предельных» состояний до выработки (от ца = 0 до ца= 1 ).

Вновь возвращ аясь к концепции В.Н. Родионова [1, стр. 209], приводим его положение о паспорте прочности и соответственно к критерию прочности. «При реш ении конкретных практических задач паспорт прочности следует строить т а ­ ким образом, чтобы отрази ть в нём влияние н аи бол ее сущ ественны х сторон изучаемого явлен и я и, кром е того, иметь возм ож ность простой п роверки его на ф актическом материале». Поэтому можно считать оправданным предлож ение нового энергетического критерия прочности угольного пласта с учетом п ростран ­ ственного нагруж ени я массива от зоны «нетронутого» массива до зоны «актив­ ного» нагруж ения и затем, вклю чая зону «доразруш ения» и «значительного»

деформирования, учитывая при этом виды разруш ения от сдвига до отрыва [4, 10].

Формула этого критерия имеет такую математическую зависимость:

0- л (« а, + р р г где W o, 1ф - максимальные величины энергетических показателей работы сил изменения объём а и формоизменения. Ф ункции Wo и Wa зависят от работы сил 0 ° при начальном равномерном всестороннем обжатии и от вида объёмного нап ря­ женного состояния. Н иж ний индекс у показателей W o и Жф показы вает форму объёмного нагружения сдвигом или равномерным обжатием. Верхний индекс по­ казывает «форму» обобщ ённого напряженного состояния. А ф- представляет собой работу сил при объемном формоизменении.

Разработанный энергетический критерий прочности углей учитывает несколь­ ко физических полож ений теории разруш ения и математической теории сплош ­ ных сред. К ритерий учитывает потерю прочности при трех основных видах нагру­ жения в объёмном напряж енном состоянии. Включение в критерий физического параметра ца позволило установить соответствие между видами нагружения и ви­ дами разруш ения, что является физически значимым результатом. Включение в явном виде в критерий энергетических показателей W o и Wф позволяет следовать - 189 в определенной степени положениям основ геомеханики В.Н. Родионова о пере­ распределении в массиве различных энергетических показателей. Определяемые экспериментальным путем в зависимости от инвариантов функции состояния основ­ ных физических и механических характеристик пород массива и угольного пласта даю т возможность уточнять влияние физических неоднородноетей при развитой тр ещ и н о в ато сти углей и горны х п ород с п ом ощ ью м а тем ат и ч еск о го м о д е­ лирования. Естественным продолж ением аналитических и экспериментальны х исследований по проведению механических испытаний образцов при различных видах объемных напряженны х состояний и разработке отдельных положений энер­ гетического критерия прочности углей являются два научных направления. Во первых, подобный вид математической зависимости [6 ] неслож но использовать для получения механических характеристик: модуля сдвига G - С (А о, цп) и объём­ ного модуля К = К (А п, ца ). Во-вторых, можно провести обобщ ение известных формул теории н акоп лен и я повреж денности [1 1, 1 2 ] н а случай объемного н а­ пряж енного состояния. О сновной величиной, по которой производится оценка накопления поврежденности является фунция повреждаемости ю. Кинетическое уравнение для определения академик Ю.Н. Работнов [12] ввел в форме:

^ - = coflU{cО (7) d, ’ где U (б ) - скорость фронта трещ ины, (3 - числовой коэффициент.

К о н к р ети зи р у я вид U = р -------, где бо - д ей ствую щ ее н ап ряж ен и е, \\-т J дифф еренциальное уравнение 1 -го порядка имеет реш ение вида со = со (t).

Е сли вместо времени t введем показатель вида н ап р яж ен н о го состояния р = 1 + ц, а вместо действую щ его напряж ения бо - уровень нагруж енности АФ \ w, то с и сп ользован и ем кривой п редельн ой п рочн ости д ля слож ного напряж енного состояния ср (^) = С получим:

d (8) Также, интегрируя по со от 0 до 1 и по Р, получим оценку максимального зна­ чения Мс = ----------1 (9) С(\ + К){дк } ' В монографии Ю.Н. Работнова [12] отмечено, что «судить о соответствии опыт­ ных и теоретических данных в случае действия сложного напряженного состояния достаточно сложно. Опытные результаты часто весьма неопределенны, зависят от причин неустойчивости свойств материала». Получение новых результатов связано с дальнейшими экспериментальными опытами и аналитическими исследованиями.

-1 9 0 Литература 1. Родионов В.Н., Сизов И.А., Цветков В.М. О сновы геомеханики. Н едра, 1986. 299 с.

2. Шемякин Е.И. Д ве задачи механики горных пород, связанны е сосвоением глубоких месторождений руды и угля. Новосибирск: Ф Т П РП И, 1975. № 6. С. 29-45.

3. Ш емякин Е.И. О п аспорте прочности горных п ород // И зм ер ен и е нап ряж ени й в массиве горных пород. Н овосибирск: Наука, 1974. Ч. 1. С. 9-20.

4. Докукин А.В., Чирков С.Е., Норель Б.К. М оделирование предельно-напряж енного состояния угольных пластов. М.: Наука, 1979.150 с.

5. Надаи А. П ластичность и разруш ение твердых тел. М.: М ир, 1969. Т. 1. 648 с.

6. А. с. 394692 СССР. Установка для испытания призматических образцов на трехос­ ное сжатие. А.Д. Алексеев, Е.Н. Осыка, А.Л. Тодосейчук. 1973. С. 34-139.

7. Чирков С.Е. П рочность горных пород при трехосном неравнокомпонентном сж а­ тии. Новосибирск: Ф Т П Р П И, 1976. № I. С. 11-17.

8. Берон А.И., Чирков С.Е., Норедь Б.К., Макаров Ю.С. Исследование закономерностей изменения величины главного напряж ения для углей различных марок в условиях слож но­ го напряж енного состояния. Новосибирск: Ф Т П РП И, 1978. № 4. С. 20-25.

9. Алексеев АД., Норель Б.К., Стариков Г.П. М еханические испытания образцов угля на установке трехосного сжатия. Новосибирск: Ф Т П Р П И, 1983. № I. С. 106-109.

10. Норель Б.К. И зм енение механической прочности угольного пласта в массиве. М.:

Наука, 1983.127 с.

11. Качанов Л.М. О сновы механики разруш ения. М.: Н аука, 1974. 311 с.

12. Работнов Ю.Н. Введение в механику разруш ения. М.: Наука, 1987. 80 с.

- 191 вними _О /I Ш иш I /./ Канд. техн. наук В.П. С АМ АРИ Н, канд. техн. наук И.В. БАРСУКОВ, канд. техн. наук С.В. М ОРИН Уральский филиал ВНИМ И ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СДВИЖЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД НА УГОЛЬНЫХ И РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ УРАЛА В начальный период деятельности Уральского филиала В Н И М И добыча угля и руды на Урале в основном велась на сравнительно малой глубине, когда при подземном способе разработки актуальными оказались вопросы сдвижения горных пород. Н а земной поверхности при ее подработке возникали провалы, большие тре­ щины, а сооружения, попавш ие в зону влияния горных разработок, разрушались.

П оэтому на угольных, а такж е на рудных месторождениях, были организованы широкомасштабные инструментальные наблюдения за сдвижением земной повер­ хности и горных пород.

Целью наблюдений было получение основных параметров, характеризующих процесс сдвижения земной поверхности и в толще горных пород, которые явля­ лись исходными при составлении Правил охраны сооружений и природных объек­ тов от вредного влияния подземных разработок.

Первоначальные инструментальные наблюдения на шахтах Кизеловского бас­ сейна выполнены Б.А. Калгановым и К.В. Стрельниковой;

на Буланашском уголь­ ном месторождении Д.В. Родкевичем, И.И. П ономаревы м, И.А. Блаш кевичем;

в Челябинском бассейне И.И. Пономаревым, Д.А. Кичигиным, а с 1947 г. продол­ жены И.А. Петуховым.

Инструментальные наблюдения выполнялись на специальных наблюдатель­ ных станциях, состоящих из системы грунтовых реперов, сгруппированных в про­ фильные линии.

Результаты инструментальных наблюдений на первом этапе обобщ ались в виде проектов П равил охраны сооружений для отдельных угольных бассейнов и место­ рождений и отражали лишь горно-геологические условия и изученность вопросов сдвижения горных пород на тот период. По мере накопления данных углублялось представление о характере процесса сдвижения. Это обстоятельство и изменение горно-технических условий вызывали необходимость и служили поводом для по­ стоянного соверш енствования, уточнений и дополнений ранее составленных П ра­ вил охраны сооружений. Так для Кизеловского бассейна они пересоставлялись и издавались в 1950, 1959 и 1967 гг., для Челябинского бассейна в 1950 (совместные с Буланаш ским м есторож дением ) и 1967 г., для Буланаш ского м есторож дения в 1950 и 1969 гг., для П ечерского угольного бассейна в 1950 и 1967 гг.

-192 Помимо обоснования Правил охраны сооружений результаты инструменталь­ ных наблюдений использовались для теоретических обобщений и разработки спосо­ бов расчета сдвижений и деформаций. Для Челябинского и Кизеловского бассейнов И.А.Петуховым сделан ряд оригинальных предложений и составлено Руководство по предрасчету сдвижений. В последующий период исследования данного направ­ ления для более сложных горно-геологических условий были продолжены.

Кроме продолжения исследований в Кизеловском и Челябинском бассейнах ла­ бораторией проведены масштабные комплексные исследования сдвижения горных пород и земной поверхности на Интинском, Воркутинском и Халъмерюском место­ рождениях Печерского угольного бассейна. Исследования включали закладку репе­ ров на профильных линиях на земной поверхности, глубинных реперов в специально пробуренных скважинах, поинтервальное опробование водопроницаемости горных пород до и после их подработки с целью определения высоты распространения зоны водопроводящих трещин, образующейся над очистной горной выработкой.

Для установления наличия связи подземных вод с поверхностными на участ­ ках подработки водных объектов впервые использовался тритиевый метод. Суть его заключалась в том, что из шахты и поверхностных водоемов отбирались про­ бы для исследования на содержание трития. П робы отбирались на Воркутинском месторождении из шахт № 3 и № 40 и реки Воркуты, а на Интинском из шахты № 2 и ручья Угольного, протекающего по ее шахтному полю. О тобранные пробы исследовались во Всесоюзном научно-исследовательском институте ядерной гео­ физики и геохимии (В Н И И Я ГГ) М инистерства геологии СССР.

В работах на Воркутинском, Хальмерюском и И нтинском месторождениях Печорского угольного бассейна под руководством И.В. Хохлова активное участие принимали В.П. С амарин (ответственный исполнитель), а также И.А. Дягилев и О.Т. Дмитриева. Результатами этих исследований было научно доказано (Хохлов И.В.) и практикой подтверждено, что разработка угольных пластов под водными объектами при управлении горным давлением полным обрушением безопасна при глубине равной 40-кратной мощности пласта, а при благоприятных условиях и при меньших глубинах. Ранее водные объекты подрабатывались при глубинах, превы­ шающих вынимаемую мощность в 150-300 крат в зависимости от количества воды в водоеме. Новый подход к подработке водных объектов, когда стали охраняться гор­ ные выработки от проникновения воды из подрабатываемых водоемов, позволил на действующих шахтах комбинатов «Воркутауголь» и «Интауголь» расконсерви­ ровать из предохранительных целиков под реки Хальмер-ю, Воркута, Большая Инта и ручьи Черный и Угольный более 100 млн. тонн угля. Для добычи такого количества промышленных запасов требовалось строительство двух шахт годовой производи­ тельностью по 1 млн. тонн угля каж дая. Это дало так же возмож ность увеличить добычу угля на шахтах и продлить срок службы некоторых из них до 1 0 лет.

А налогичные исследования по определению высоты распространения зоны водопроводящ их трещ ин (ЗВ Т) выполнены филиалом в Кизеловском басбейне в 1965 г, позволивш ие отработать запасы угля пласта 13 + 11 мощ ностью 4,5 м из целика под реку Б. Гремячая на шахте «Таежная». В 1972-1974 гг. на шахте «Име­ ни 40-летия О ктября» отработан пласт 5 под Рахматульским водоемом с объемом воды 2 млн. м3, а в 1981-1982 гг. выполненные исследования на шахте «Коспаш ская» позволили успеш но отработать запасы угля пласта 11 мощностью 1,5 м на протяж ении 2,7 км под рекой Полуденны й К изел на глубине от 33 м до 8 6 м, а затем пласта 9 мощ ностью 1,2 м, залегающего на 13-18 м ниже.

- 193 Комплексными исследованиями, включающими наблю дения на земной повер­ хности, в скважинах оборудованных глубинными реперами и горных выработках, проведенными на Буланаш ском месторождении в 1965-1966 гг., было получено, что водопроводящ ие трещ ины распространяются над очистными выработками на высоту 30-кратной вынимаемой мощности пласта, что позволило ниже этой глу­ бины безопасно осуществить выемку угля из целиков под речки Бобровку и Ближний Буланаш.

На основании накопленного опыта по рекомендациям У ральского филиала В Н И М И в многочисленных случаях успешно велись горные работы под затоп­ ленными выработками на шахтах Челябинского бассейна и на Буланаш ском мес­ торождении.

При реш ении практических задач, связанных со сдвижением горных пород, лабораторией уделялось значительное внимание соверш енствованию методики проведения исследований. Так в 1972 г разработан способ измерения смещения глубинных реперов, закладываемых в скважинах, пробуренных в слабых неустой­ чивых породах, на основе использования магнитогерконового датчика. Способ позволил в скважину, пробуренную на поле шахты «Буланаш-4» в 1981 г., зало­ жить 49 глубинных реперов, в то время как ранее применявш ийся способ требо­ вал наличия крепких устойчивых пород и позволял заложить в скважину не более 5-10 реперов.

В 1981-1982 гг. для определения высоты зоны водопроводящих трещин в сдре нированной толще горных пород на шахте «Коспашская» в Кизеловском бассейне вместо поинтервальных нагнетаний воды в скважины применен простой и надеж­ ный способ, основанный на использовании влияния шахтной депрессии на воздуш­ ную среду скважины. П ри достижении забоем скважины зоны трещин, имеющих связь с выработанным пространством, в скважине резко возрастает скорость дви­ жения воздуха и изменяется атмосферное давление.

П редлож ен способ определения высоты зоны водопроводящ их трещ ин, об­ разующихся над выработанным пространством, по степени влияния шахтной деп­ рессии на воздушную среду в скважине (Самарин В.П., Ш ляхецкий В.К.).

Н аиболее значительны м и теоретическими и п рактическим и разработкам и являются исследования по обоснованию геомеханических схем сдвижения в слож­ ных горно-геологических условиях и создание на их основе методик расчета сдви­ жений и деф орм аций массива горных пород и земной поверхности. Выделены формы сдвижения, вызывающие появление провалов на земной поверхности, спол­ зание и сдвиги горных пород и сдвижение пород лежачего бока. Создана методика расчета сдвижений и деформаций земной поверхности при разработке крутопа­ дающих пластов (Самарин В.П.). Усовершенствована методика расчета ож идае­ мых сдвижений и деф ормаций горных пород для различных горнотехнических ус­ ловий У рала (М орин С.В.) и при многократных подработках земной поверхности (Барсуков И.В.). Эти и другие разработки лаборатории включены в М етодичес­ кие документы по исследованию процесса сдвижения горных пород и охраны со­ оружений и природных объектов, составленные ВН И М И.

В последние два десятилетия лабораторией сдвиж ения проводятся исследо­ вания с целью м иним изировать негативные последствия влияния подземных и открытых горных работ на одних и тех же участках месторож дения, а также сни­ зить вредное влияние горных разработок на расположенны е в прибортовой поло­ се охраняемые объекты. Н аиболее значительными в этом отнош ении объектами - 194 являются сооруж ения К опейского машиностроителъого завода (К М З). Восемнад­ цать зданий из 52, попавш их в зону влияния лав шахты «Центральная» и вырабо­ ток разреза «Копейский», пришли в аварийное состояние, для ликвидации которо­ го институтом В Н И М И совместно с Уральским филиалом В Н И М И разработаны, а шахтой и разрезом выполнены специальные конструктивные м ероприятия по усилению зданий. П редлож ены также горные меры по снижению деформаций на территории завода. Инструментальные наблюдения на К М З проводятся лабора­ торией сдвижения, начиная с 1988 г по 2009 г, на основе которых выполнен про­ гноз сдвижений и деформаций для зданий и сооружений завода и изменение их состояния с закрытием шахты «Центральная» и по мере затопления горных вы ра­ боток и разреза «Копейский.

А налогичная ситуация имеет место в г. К оркино, где жилые здания поселка Роза, находящ иеся в прибортовой полосе, испытываю т вредное влияние разреза «Коркинский» и шахты «К оркинская», многие из которых приш ли в аварийное состояние. В связи с актуальностью возникш их проблем были выполнены Н И Р по разработке геомеханического обеспечения совместного ведения открытых и подземных работ на угольных месторождениях (1996г), безопасной и эф ф екти в­ ной отработки при комбинированном способе добычи угля на предприятиях О А О «Челябинскуголь» (2000-2001 гг.) (Самарин В.П., Барсуков И.В., М орин С.В.).

Другая проблема, которую пришлось реш ать лабораторией, возникла в 1951— 1956 гг. в Челябинском бассейне, где впервые был отмечен ряд случаев поврежде­ ний крепи стволов и сооружений на охраняемых предохранительными целиками промплощ адках шахт. Н аиболее существенные повреждения, которые привели к преждевременному закрытию более десятка из них, наблюдались на шахтах «К рас­ носельская», № 17-20, № 22, № 29 бис, № 29 Капитальная, № 42 К ап итальн ая и др. В ы яснилось, что п овреж д ен и я возникали при окон тури вани и по ниж ним границам п редохранительны х целиков, оставленны х под пром площ адки шахт по разрабаты ваемы м и выш ележащ им пластам наклонного падения и вызваны они проявлением формы сдвижения, названной сдвижениями по напластованию.

Длительное время сущ ествование этой формы сдвиж ения не признавалось спе­ циалистами В Н И М И. Считалось, что сдвиж ения по напластованию характерны только для Ч елябинского бассейна. О днако проявление этой формы сдвиж ения в последую щ ем обнаруж ены на шахте «Буланаш -2/5», на шахтах К лю чевская, № 65, № 75 в Кизеловском бассейне, а также в Кузнецком и К арагандинском бас­ сейнах. Анализ условий проявления этой формы сдвижения позволил предложить методику расчета ожидаемых сдвижений и деф ормаций по напластованию и раз­ работать методику построения целиков-упоров для охраны шахтных стволов и других сооружений.

П роявление сдвижений по напластованию на угольных месторождениях У ра­ ла было краеугольным камнем в исследованиях лаборатории на протяжении мно­ гих десятилетий. П олученны е результаты многолетних инструментальных наблю­ дений и геомеханические исследования позволили усоверш енствовать методику расчета сдвижений и деформаций на земной поверхности и в массиве горных по­ род при разработке свиты пластов (1983-1993 гг.) и разработать меры по охране шахтных стволов и других объектов промплощ адок шахт от вредного воздействия на них сдвижений по напластованию. Проблемы по охране шахтных стволов, зда­ ний и сооружений на промплощ адках шахт Челябинского и К изеловского бассей­ нов и на Буланаш ском месторождении были актуальны вплоть до их закрытия.

- 195 Н а промплощ адках шахт и в шахтных стволах проводились систематические ин­ струментальные наблю дения и был выдан ряд заклю чений и реком ендаций по охране объектов. Т ак на шахте «Коркинская» к 1998 г. сдвиж ения и деформации шахтных стволов № 1, 3 и 4 и подъемной машины ствола № 4 превысили допусти­ мые показатели деф ормаций и приблизились к предельным, в связи с этим были даны рекомендации по дальнейш ей безопасной эксплуатации стволов и подъем­ ного комплекса.

И сследования по охране эксплуатируемых шахтных стволов на основе про­ гнозирования сдвижений и деформаций массива горных пород на угольных место­ рождениях Урала были продолжены в 1986-1987 гг. (М орин С.В., Самарин В.П.).

Исследование деформ ирования стволов пройденных в сложных горно-геологичес ких и горнотехнических условиях шахт О А О «Челябинскуголь» с оценкой их со­ стояния и выдачей рекомендаций по охране шахтных стволов было проведено в 2001-2002 гг. (Барсуков И.В., М орин С.В.). К роме того, вы полнена Н И Р по оп­ ределению состояния ствола «К» и его безопасной эксплуатации при отработке запасов М алы ш евского месторож дения до горизонта -120 м на основе прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности и околоствольного массива по ре­ зультатам инструментальных наблюдений и даны реком ендации по безопасной эксплуатации ствола «К» (М орин С.В., Барсуков И.В.).

Ш ироком асш табны е и интенсивные исследования п роцесса сдвиж ения на угольных месторождениях Урала на основе разработки геомеханических схем, вы­ полненны е В Н И М И и его филиалами, позволили создать едины е «П равила ох­ раны со о р у ж ен и й...» для всех угольных м есторож ден и й. Т ак и е «П равила...», содерж ащ ие единые подходы и общие закономерности, из-за сложности процесса, впервые изданы только в 1981 г. В 1998 г они были усоверш енствованы и действу­ ют в настоящее время. П о результатам исследований и обобщ ений УФ В Н И М И были даны предлож ения по параметрам процесса сдвиж ения угольных месторож­ дений Урала, определению сдвижений и деформаций земной поверхности и мерам защиты зданий и сооружений, которые учтены при подготовке Правил охраны...

1998 г. (Самарин В.П., М орин С.В., Барсуков И.В.).

С 1994 г. лаборатория приступила к исследованиям проблем сдвижения, возни­ кающим на стадии доработки месторождений и ликвидации шахт. Дело в том, что после ликвидации шахт в горном массиве в горных выработках (шахтных стволах, шурфах и др.) остается значительное количество пустот, несмотря на предпринима­ емые меры по их заполнению. Эти пустоты длительное время являются источником проявления сдвижений горных пород и земной поверхности. Наиболее опасным про­ явлением сдвижения является образование провалов. В результате многолетней вы­ емки угля подработанные территории получают оседания, величина которых на от­ дельных участках шахтных полей Буланашского месторождения и Челябинского бассейна достигла двух-трех десятков метров. Подработанные территории в насто­ ящее время на некоторых участках застроены, по ним проложены коммуникации.

После прекращ ения откачки воды из шахт в результате подъема уровня подземных вод такие территории оказываются подтопленными или заболоченными.

В связи с реконструкцией угледобывающей отрасли, введением экономичес­ ких принципов хозяйствования, ликвидацией убыточных предприятий на первый план выдвигаются вопросы безопасности и рационального использования подрабо­ танных территорий, вопросы подтопления и заболачивания подработанных и приле­ гающих к ним застроенных территорий. Поэтому в последние годы лаборатория - 196 реш ает социально-экологические вопросы, вопросы безопасности и защиты заст­ роенных территорий, в том числе от подтопления, при ликвидации конкретных шахт, а так же вопросы использования подработанных территорий, в частности под но­ вое строительство. К настоящему времени ликвидированы все шахты О А О «Кизе луголь» и О А О «Вахрушевуголь», большинство шахт О А О «Челябинскуголь».

О ценки и прогнозы негативных последствий на подработанны х и прилегаю ­ щих к ним территориях шахтных полей проведены И.В. Барсуковым и С.В. Мо риным. Р еком ендации переданы институтам «Уралгипрошахт» и «Ростовгипро шахт» и учтены в П роектах ликвидации угольных шахт. Осущ ествляется геомеха нический и гидрогеологический мониторинг за сдвижением земной поверхности.

К ром е и ссл ед ован и й п роц есса сдвиж ен ия на угольны х м есторож д ен и ях У рала лаборатория вы полняла работы на предприятиях других ведомств. Т ак в период с 1971 по 1973 гг. лабораторией проведены инструментальные наблю де­ ния на предприятиях Н авоинского ГМ К с целью определения коэф ф ициента сж и­ маемости горных пород при их дренировании для учета степени податливости крепи шахтных стволов. В этих работах кроме специалистов-гидрогеологов В Н И М И уча­ ствовали В.П. Самарин, В.К. Ш ляхецкий и И.А. Дягилев.

Н а М алышевском месторождении изумрудов в период 1992-2006 гг. лабора­ торией продолжены, проводивш иеся ранее институтом В Н И М И, инструменталь­ ные наблюдения, которы е позволили вести разработку месторождения в условиях деформирования подрабатываемых горных выработок и сооружений промплощ ад ки, в том числе основного шахтного ствола и подъемного комплекса (В.П. С ама­ рин, И.В. Барсуков, С.В. М орин, JT.B. Ополева).

В период с 1988 г. лабораторией проводятся исследования вредного влияния проходки выработок метрополитена на здания и сооружения городской застройки в г. Екатеринбурге. П ри этом получены параметры процесса сдвижения и создана методика п рогнози рован ия сдвижений и деф орм аций застроенной территории (В.П. Самарин, В.К. Ш ляхецкий, И.В. Барсуков, С.В. М орин, JI.B. Ополева).

Становятся актуальными вопросы образования провалов и провальных воро­ нок на застроенных территориях над ликвидированны ми стволами, ш урфами, а также очистными выработками на рудных месторождениях. В связи с этим л аб о­ раторией п роводились исследования процесса сдвиж ения на Б ерезовском зо ­ лоторудном месторож дении и были даны рекомендации на основе результатов инструментальных наблю дений по охране зданий и сооружений г. Березовский, расположенных в зоне возможного влияния старых горных работ (1998-2003 гг.), по размещению объектов строительства Индустриального технопарка и И ннова­ ционного парка (2008 г.), газопроводов и коммуникаций на подработанных тер­ риториях, возможности строительства Гостиничного комплекса жилого микрорай­ она № 5 г. Березовский (2006 г.) и др.

В настоящ ее время лаборатория сдвижения горных пород УФ В Н И М И про­ долж ает активно реш ать вопросы, связанны е с ликвидацией шахт на угольных месторождениях, в том числе с подтоплением шахтных полей и оценкой степени влияния горных выработок на здания и сооружения, влиянием выработок метро­ политена на городскую застройку, возможности застройки подработанных терри­ торий, а такж е в связи с освоением новых месторождений полезных ископаемых (Александровское и П одольское медноколчеданные месторождения) и примене­ нием новых технологий на Гайском и Гумешевском месторождениях.

- 197 Канд. техн. наук И.В. БАРСУКОВ, канд. техн. наук С.В. М ОРИН Уральский филиал ВНИМ И ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ И МАРКШЕЙДЕРСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ВОЗВОДИМЫХ НА ПОДРАБОТАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ ЛИКВИДИРОВАННЫХ ШАХТ Развитие городов К опейск и К оркино Челябинской области требуют освое­ ния новых тер р и то р и й для строительства ж илья и пром ы ш ленны х объектов.

Н о наиболее приемлемые и перспективные для застройки участки находятся на подработанных или подрабатываемых угольными шахтами территориях. О свое­ ние этих территорий требует реш ения огромного количества проблем, главными из которых являются остаточное деформирование зем ной поверхности и ее под­ топление вследствие естественного восстановления уровня подземных вод после ликвидации шахт. В настоящее время в черте г. Копейска ликвидированы наиболее крупные шахты: «П одозерная», «Красная Горнячка» и «Центральная». Действу­ ющими остались угольные шахты «К апитальная» и «К омсом ольская», а такж е шахта «Коркинская» в г. Коркино.

Ранее УФ О А О «ВНИМ И» были выданы рекомендации по перспективам ис­ пользования данных территорий, в том числе о возможности их подтопления и мерах по предотвращ ению затопления. Определены места и сроки геомеханичес­ кого мониторинга за проявлениями вредного влияния горных работ на подрабо­ танные территории. П о заказу О А О «ЧУК» в 2006 г. У Ф В Н И М И выполнена и передана заказчику Н И Р «Предварительная оценка и прогноз изменения гидро­ геологических условий при затоплении горных выработок ликвидированной шахты «Центральная». Цель работы: прогноз затопления горных выработок и подтопле­ ния подработанных территорий в связи с закрытием шахты «Центральная». Воп­ рос последствий затопления разреза «Копейский» на окруж аю щ ий его массив, в том числе на территорию Копейского машиностроительного завода, так же час­ тично рассмотрен УФ ВН И М И. В 2007 г продолжения эти работы не получили, несмотря на то, что существует возможность увеличения водопритоков на шахте «К апитальная» со стороны ликвидированны х шахты «Ц ентральная» и разреза «Копейский» при их затоплении.

Ш ахта «К алачевская» в г. К оркино была ликвидирована в 1994-1995 гг. без какого-либо реш ения вопросов, связанных со сдвижением земной поверхности, подтоплением и затоплением подработанны х территорий. К 2002 г значитель­ ные территории зем ной поверхности на горном отводе ликвидированной шахты - 198 «Калачевская» и за его пределами были затоплены, в том числе сельскохозяйствен­ ные угодия, сады и дороги. За период с 1987 по 2002 гг. отдельные небольш ие по площади водоемы, образовавш иеся к 1987 г, слились в три больших водоема с отметками уровня воды 212,4 м - 216,9 м. Т ак дорога К оркино - К опейск из-за затопления весной и летом не эксплуатируется по нескольку месяцев, несмотря на неодно-кратные подсыпки и ремонты. Какого-либо гидромониторинга за подтоп­ лением подработанных территорий на ликвидированной шахте «Калачевская» не проводится и не планируется. Все проекты по спуску воды с затопленных участ­ ков остаются на бумаге.

Вследствие воздействия горных разработок значительная площ адь земной поверхности, вклю чаю щ ая горный отвод шахт и прилегающие территории, где в основном располагается ж илая и промыш ленная застройка и предполагается но­ вое строительство, подверж ена значительным воздействиям. Техногенное воздей­ ствие с возникновением опасных деформаций на подработанных территориях обус­ ловлено проявлением деф орм аций в наруш енном подработками массиве и акти­ визацией процесса сдвиж ения горных пород при ликвидации пустот. П о мере затопления горных выработок происходит изменение гидрогеологического реж и­ ма подработанной толщ и и проявление деформаций на земной поверхности в зоне влияния горных работ. Гидродинамические и геомеханические процессы в подра­ ботанном массиве горных пород носят нелинейный характер во времени и простран­ стве и ведут к развитию негативных проявлений на подработанных территориях, что необходимо учитывать при их использовании под застройку.

С закрытием шахт площ адь подработанных территорий, склонных к затопле­ нию и подтоплению, резко возрастает, что обусловлено процессом восстановления уровня грунтовых вод. О бразование таких неблагоприятных и опасных по послед­ ствиям участков может быть выявлено или спрогнозировано на основе геодези­ ческих, гидрогеологических и горнотехнических данных. Для этого в соответствии с условиями отработки полезного ископаемого строятся прогнозные карты участков земной поверхности, на которых отражается геомеханическая и гидрогеологичес­ кая обстановка.

При закрытии шахт в Челябинском бассейне выделены условия подработки поверхности на отдельных участках шахтного поля исключительно неблагоприят­ ные с позиций подтопления:

- плоский равнинный и мало всхолмленный рельеф с высоким уровнем сто­ яния грунтовых вод до его подработки и нарушением естественного стока после подработки;

- оседание отдельных участков на 2-5 м и более (иногда и до 35 м), где воз­ можно восстановление уровня грунтовых вод до прежних отметок после закры ­ тия и затопления шахты;

- наличие подработанных и прилегающих к ним территорий, склонных к за­ болачиванию, особенно после изменения реж има грунтовых вод вследствие веде­ ния горных работ.

В первую очередь на ликвидируемых шахтах производилась оценка степени подтопления территории, при этом выделялись участки, которые с большей веро­ ятностью и в ближайш ее время будут подтоплены или уже оказались в зоне подтоп­ ления и затопления в условиях невозможного поверхностного стока, нарушенного в результате подработки и изменения рельефа. При этом учитывались скорость и режим изменения уровня воды (УВ) на подверженных затоплению участках, по -199 данным м ониторинга устанавливалась взаимосвязь уровней воды с гидрогеоло­ гическими условиями, и в первую очередь от полож ения УВ в подработанном массиве горных пород, а так ж е в реках и озерах в период паводков и в межень.

Максимально возможные площади затопления и подтопления земной поверхности могут быть оценены исходя из прогнозных максимальных отметок положения УВ на характерных участках ликвидируемой шахты.

Закрытие в прошлом старых шахт мелкого залож ения сначала не сказывается на изменении окруж аю щ ей среды при работе здесь более глубоких шахт, в кото­ рые с верхних горизонтов дренировалась вода. С закрытием современных шахт и их затоплением, полож ение района изменяется в плане возникш их проблем под­ топления подработанной поверхности и поселков, что в настоящ ее время наблю­ дается на ликвидированных шахтах Челябинского угольного бассейна. Так в свя­ зи с ликвидацией шахты «К расная Горнячка» и затоплением горных выработок до глубины 50 м произош ло увеличение уровней грунтовых и поверхностных вод в районах депрессий, возникш их под влиянием горных разработок. В результате подверглись подтоплению поселки Силовой, Кадровик, шахты № 20 и др.

К рупная депрессионная воронка в зеркале подземных вод, формировавшаяся в течение десятков лет откачкой шахтных вод, положение которой определялось по результатам гидрогеологических наблюдений за изменением УВ и обследования подработанных территорий, после ликвидации водоотлива на шахте постепенно сжимается. В связи с этим в районе затопления горных выработок наблюдается процесс их дальнейш его обрушения при обводненном состоянии горных пород, проявляются дополнительные просадки грунта, продолжается формирование круп­ ных понижений в рельефе и их затопление, заболачивание, в том числе и прилегаю­ щей застроенной территории.

П ри затоплении прочность и деформационные характеристики угля в барь­ ерных целиках и пород снижаются в 1,5-2,0 раза. П ри этом происходит изменение состояния подработанного массива, возрастают деформации горных пород по мере их обводнения. В результате возможны дополнительные сдвиж ения и деф орм а­ ции на земной поверхности, в том числе над имеющимися пустотами. Вследствие снижения прочностных и деформационных свойств пород и угля возобновляется воздействие горного давления, возрастаю щ ее по мере поднятия уровня воды и оказывающ ее дополнительное воздействие на массив горных пород, целики угля и затапливаемые горные выработки.

Наибольш ее негативное техногенное воздействие возможно в районе разры в­ ных тектонических нарушений в зоне влияния горных разработок. С обводнением массива горных пород могут возникнуть подвижки по плоскости сместителя раз­ рывного тектонического наруш ения при снижении трения и сцепления пород, способные вызвать негативные динамические явления. Н егативны е явления так же проявляю тся в активизации процесса сдвижения на подработанных террито­ риях, где в послеликвидационный период возможны дополнительны е сдвиговые деформации над выходами пластов и в зоне разрывных тектонических нарушений до (30-40)% от проявившихся при ведении горных работ.

П ри ослаблении массива пород под действием шахтных вод, а так же под воз­ действием поверхностных и грунтовых вод, охватывающих все большие террито­ рии в связи с восстановлением УВ, становится возможным возникновение провалов и провальны х воронок, что п ока не учиты вается в норм ативны х документах.

Вследствие затопления горных выработок на пластах крутого падения возможно -200 нарушение устойчивости пород. Наличие в массиве незаложенных пустот, над ко­ торыми не развился процесс сдвижения, разрушение целиков так же способствуют образованию новых зон обрушения вплоть до возникновения на земной поверх­ ности через значительный промежуток времени (более 40-50 лет) уступов и про­ валов. В зонах опасных по образованию провалов и провальных воронок в районах выходов пластов крутого падения на земную поверхность и старых горных выра­ боток располагаемых на малой глубине строительство не рекомендуется.

Опыт ликвидации шурфов и стволов показывает, что с течением времени проис­ ходят оседания и провалы поверхности в районах устьев стволов и шурфов, вызван­ ные уплотнением насыпной массы и исчерпанием долговечности основных несущих конструкций, а именно крепи горной выработки и сооружаемых перекрытий. В ре­ зультате усадки породы через несколько лет под перекрытием у земной поверхности образуется участок ствола с обнаженной крепью. Обнаженная крепь на этом участке под действием горного давления и других факторов с течением времени теряет ус­ тойчивость и разрушается. Естественно разрушается и перекрытие, вызывая появ­ ление провала над устьем ствола и трещин в его окрестности в радиусе до 20-25 м.

В связи с закрытием шахты «Центральная» и разреза «Копейский» в Ч еля­ бинском бассейне по оценкам изменения гидрогеологических условий прогнози­ руется ухудшение обстановки в первую очередь в северной части шахтного поля со стороны ранее ликвидированной шахты «К расная Горнячка» в районе посел­ ков шахты № 20, Силовой и Кадровик.

Н а основе исследований спрогнозированы участки возможного затопления и подтопления, разработаны рекомендации и технические реш ения по предотвра­ щению негативных процессов на опасных по проявлениям участках шахтного поля и прилегающих к нему застроенных территориях на ликвидируемых шахтах «К рас­ ная Горнячка» и «Центральная». Наиболее важным мероприятием по предотвра­ щению подтопления в сложных гидрогеологических условиях этих объединенных шахтных полей является поверхностный дренаж. П роведение дренажных мероп­ риятий долж но обеспечивать нормальные условия функционирования зданий и сооружений, поддерж ивать наиболее благоприятный влажностный режим почв для их использования под сельскохозяйственные угодья. К омплекс рекомендуе­ мых УФ В Н И М И дренаж ей (канав), позволяющий управлять режимом поверхно­ стных и подземных вод, запроектирован с учетом поверхностного стока в условиях существующей гидрографической сети, изменений стока вследствие подработки, которые имеют свои особенности на каждой из ликвидируемых шахт.


Основу и нф орм ационного обеспечения теоретических построений долж ны составлять экспериментальные данные об геомеханических изменениях реальной среды в области влияния горных работ, используемые в дальнейшем для предотвра­ щения опасных экологических последствий. В зонах влияния горных работ и под­ топления возможны аварийные ситуации. Это порывы газопроводов, теплопрово­ дов и нефтепроводов, ведущие в отдельных случаях к экологическим катастрофам.

Нарушения предельного равновесия грунтов в после ликвидационный период, ве­ дущие к подвиж кам и деф орм ациям, превыш аю щ им допустимые значений для жилых домов, расположенны х на опасных участках в зоне влияния горных работ, имеют место, как на рудных, так и на угольных (пластовых) месторождениях.

При прогнозировании негативных проявлений необходимо учитывать, что в сложных горно-геологических условиях возникает ряд дополнительных измене­ ний в среде, способные оказать существенное влияние на установленные геомеха -201 нические параметры и на проявление деформаций, что требует пересмотра и до­ полнения существующих методик их определения. П о мере интенсификации гор­ ных разработок, как по площади, так и по глубине, возрастает и площ адь земной поверхности, подверж енная значительному деформированию. О собенно заметно вредное техногенное воздействие на урбанизированны е территории, имеющие плотную жилую и промышленную застройку.

Существующие методы прогноза не учитывают возмож ное проявление допол­ нительных сдвиж ений и деф орм аций в зависимости от реализации остаточной пустотности подработанного массива при частичной или полной ликвидации пус­ тот в результате наруш ения предельного равновесия пород и изменения гидроге­ ологических условий.

П ри затоплении горных выработок в подработанной толщ е изменяются проч­ ностные и деформационны е характеристики массива горных пород, соответственно возможно негативное проявление дополнительных осадок и деф ормаций на от­ дельных участках земной поверхности. О бразование таких неблагоприятных по техногенному воздействию участков земной поверхности долж но быть выявлено на основе геодезических, гидрогеологических и горно-технических данных, вы­ яснении геомеханической и гидрогеологической обстановки с оценкой парамет­ ров и условий. Научные исследования по оценке изменения гидрогеологических условий направлены на установление количественных взаимосвязей и прогнози­ руемых параметров от основных факторов подработки, таких как вынимаемая мощ­ ность и угол падения пластов, глубина ведения горных работ в районе застройки, площадь выработанного пространства.

П рогноз сдвижений и деформаций земной поверхности выполняется в соот­ ветствии с действую щ ими нормативными документами и методиками, разрабо­ танными на основе результатов инструментальных наблюдений УФ В Н И М И на Уральских угольных месторождениях. Величины ожидаемых сдвижений и деф ор­ маций определяю тся для каждого участка застройки в соответствии с горно-тех ническими и горно-геологическими условиями подработки и полож ения объек­ тов застройки на разрезе вкрест простирания пластов.

Из предварительных оценок по существующим методикам выяснилось, что методы расчета должны достаточно объективно учитывать имеющуюся горно-гео логическую и горно-техническую ситуацию, разную степень воздействия очистных выработок, особенно когда на земную поверхность оказы вали влияние горные работы по нескольким пластам (3 и более), либо очистные выработки 2-3-х и бо­ лее горизонтов при наклонном и крутом залегании пластов.

Для оценки деформаций земной поверхности в районе застройки должна быть учтена специфика горно-геологических условий и разработаны методы расчета с использованием результатов инструментальных наблюдений, упрощ ены методи­ ки прогноза оседаний и горизонтальных деформаций для свит пластов при отсут­ ствии сдвижения пород лежачего бока пласта, уточнены подходы к определению деформаций при крутом залегании угольных пластов, большой глубине разработки, для условий синклинального залегания горных пород при отработке симметрич­ ных складок.

Часть подработанны х территорий располож ена над верхними горизонтами угольных шахт, где в соответствии с нормативными документами процесс сдвиже­ ния закончился более 2 0 лет назад, тем не менее, при отработке нижележащих гори­ зонтов на таких участках наблюдаются деформации, обусловленные активизацией -202 процесса сдвижения, в том числе подвижки по напластованию вплоть до выхода под наносы отрабаты ваемого пласта при отсутствии сдвижений пород лежачего бока. Уровень деформаций, которые могут проявиться над выходами ранее отрабо­ танных пластов свиты после закрытия и затопления шахты определяется полож е­ нием уровня затопления горных выработок на шахте, характеристиками углов тре­ ния по контактам в зависимости от их обводнения, что сказывается на величине деформаций.

В первую очередь возникает вопрос о выявлении участков, где с изменением гидрогеологических условий могут проявиться опасные деформации для жилых зданий. П ри крутом залегании пластов это зоны опасные по образованию прова­ лов, где они ещ е не проявились в период эксплуатации шахты под влиянием обру­ шения покры ваю щ их пород, разруш ения целиков, но вероятен их выход после окончания эксплуатации шахты над оставшимися в массиве пустотами. В слож­ ных горно-геологических условиях при слабых обводненных породах, тектоничес­ кой нарушенное™ толщи, возможности перепуска пород по падению с течением времени снижается несущ ая способность крепи и пород и становится возможна реализация пустот с проявлением опасных деформаций на земной поверхности.

Дополнительные деф ормации могут проявиться и при незначительной подрабо­ танное™ поверхности (D /H 0,3-0,4) при глубинах разработки более 300-400 м по мере разруш ения межлавных (междуэтажных) целиков угля при их обводне­ нии и самоликвидации пустот на границах очистных выработок.

Реализация пустот в границах очистной выработки для более слабых пород, особенно при их выносе под влиянием перетоков воды, может привести к прояв­ лению д о п о л н и тел ьн ы х максим альны х оседани й п о р я д к а Т ( 0,2 - 0,3 ) т, где 1д= т - вынимаемая мощ ность пласта, м, и сосредоточенных деформаций с возмож­ ным образованием трещ ин на земной поверхности или раскрытием старых трещин, возникших под влиянием очистных работ при деформациях более 1 0 - 1 2 мм/м.

Расчеты сдвижений и деформаций земной поверхности позволяют объективно оценить степень воздействия горных разработок на подработанные территории и застройку и выделить участки и группы жилых домов с наибольшими и наименьши­ ми деф ормациям и. Н а основе прогноза суммарных оседаний и оценки гидрогео­ логических условий прогнозирую тся участки возмож ного подтопления земной поверхности, что учиты вается для выбора участков под новое строительство на территориях ликвидированных угольных шахт.

Дальнейш ие изменения гидрогеологической и геомеханической обстановки на выделенных участках урбанизированной территории, где возмож но вредное дополнительное воздействие от горных разработок, долж ны контролироваться с помощью мониторинга, осуществляемого специализированной организацией.

Литература 1. Самарин В.П., Морин С.В., Барсуков И.В. О ценка степени техногенного воздей­ ствия горных разработок на урбанизированные территории. Екатеринбург : УГГУ. 2005.

С. 156-162.

2. Барсуков И.В., Морин С.В. Экологические последствия затопления горных вырабо­ ток на угольных месторождениях Урала // Изв. Вузов. Горный Ж урнал. 2007. № 3. С. 64-71.

-203 Канд. техн. наук И.В. БАРСУКОВ, канд. техн. наук С.В. МОРИН, канд. техн. наук В.П. С АМ АРИ Н Уральский ф илиал ВН И М И ОЦЕНКА ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОДРАБОТАННОГО МАССИВА НА ОСНОВЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ ДЛЯ ПОДДЕРЖАНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ ОХРАНЯЕМЫХ ОБЪЕКТОВ НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ УРАЛА Решение вопросов сдвиж ения горных пород постоянно требует пересмотра представлений о сдвиж ении и деформировании подработанного массива и шах­ тных стволов при влиянии на них горных работ. В первую очередь возникает необходимость на основе результатов инструментальных наблю дений разработ­ ки методов расчета сдвижений массива горных пород и земной поверхности. При подземной разработке угольных и рудных месторождений У рала методы расчета сдвижений и деформаций были конкретизированы, получены подходящие и целе­ сообразные для рассматриваемых условий отработки упрощенные зависимости.

П роблем а охраны шахтных стволов является предм етом м ногочисленны х исследований. Ее реш ение зависит от развития представлений о напряженно-де ф ормированном состоянии (Н Д С ) массива горных пород и основано на законо­ мерностях их сдвиж ения и деф орм ирования в зонах влияния очистны х работ.

Возникаю щ ие на практике задачи по охране стволов опереж аю т развитие геоме ханических прогнозов ввиду многообразия горно-геологических условий и слож ­ ности происходящих в массиве процессов сдвижения и деф ормирования горных пород и изменения под их влиянием вторичных полей напряж ений в области техно­ генного воздействия. К настоящему времени создалась ситуация, что шахтные стволы под влиянием горных работ в большинстве случаев получили сдвиж ения и деф ор­ мации, которые превысили допустимые и приближаются к предельным.


В рассматриваемых условиях были разработаны мероприятия, направленные на предотвращ ение неуправляемого деформирования стволов посредством про­ гноза их состояния в зависимости от сдвижений и деф орм аций горных пород и напряжений в изменяю щ емся во времени поле деформаций.

П родолжительные инструментальные наблюдения на комплексных наблюда­ тельных станциях позволили получить в динамике количественные изменения сдви­ жений и деформаций в массиве горных пород и на земной поверхности в конкретных -204 горно-геологических условиях при разработке М алы ш евского м есторож дения изумрудов подземным способом, в Челябинском буроугольном бассейне на шах­ тах «К оркинская», «Центральная», «Красная Горнячка» и др. Инструментальные наблю дения заклю чались в определении высотных отметок реперов на зем ной поверхности и в горных выработках и измерений интервалов между ними. Н аблю ­ дения показали, что граница влияния горных работ распространяется на зн ачи ­ тельное расстояние от границ очистных выработок, в зоне опасного влияния рас­ полагаются здания и сооруж ения промплощ адок шахт, шахтные стволы, жилые здания городов и поселков (г. Копейск), промышленные объекты (К М З), комму­ никации и трубопроводы.

О ценка проявлений сдвижений и деформаций околоствольного массива не­ посредственно связана с величиной сдвижения устья ствола, которая зависит от положения ствола и интенсивности ведения горных работ. Состояние деф орм и­ руемых шахтных стволов зависит от величины сдвижения их устья, что отраж ает разную степень воздействия подземных и открытых работ при совместном изгибе и сдвиге пород, в условиях сдвижения пород по напластованию и их сползании при крутом залегании пластов (рудных тел).

П од воздействием горных разработок наблю дается следующее: чем ближе расположены горные работы к стволу, тем больше величина оседания устья ство­ ла и проявление горного давления. С увеличением вертикальных деформаций сжатия в околоствольном массиве, соответственно выше радиальны е смещ ения крепи и степень воздействия подработки, что проявляется в снижении устойчиво­ сти околоствольного массива и крепи, ухудшении состояния эксплуатируемого шахтного ствола.

Исходными данны ми для прогнозирования состояния шахтных стволов явля­ ются величины вертикальных сдвижений на земной поверхности в краевой части области сдвиж ения в различных горно-геологических условиях отработки уголь­ ных пластов или рудной залежи, суммарные горизонтальные и вертикальные сдви­ жения устья шахтного ствола расположенного в зоне влияния горных выработок.

На основе натурных исследований по взаимосвязи влияния горных работ на изменение состояния шахтных стволов установлена тенденция ухудшения состо­ яния стояния ствола по мере увеличения суммарных сдвижений.

Д ля оценки состояния шахтных стволов подверж енны х влиянию очистных работ разработан показатель Б [1, 2]. Показатель Б определяется в зависимости от отнош ения суммарного оседания устья ствола г|ств на определенный момент его эксплуатации к допустимому по формуле:

Б = 2 (т и /л лГ, 0) где г|д-д о п у сти м о е оседание устья ствола (Б = 2 балла), г|д=0,1-0,15 м.

Если известно состояние шахтного ствола Б,, подверж енного влиянию гор­ ных работ на момент времени t x (время воздействия очистных работ на ствол с н а­ чала его эксплуатации), то исходя из ( 1 ) прогнозируемое состояние шахтного ствола может быть определено из выражения (2 ):

Б - Б. О + 'Ч. Л и, ) '". где Дт|с1 - прогнозное изменение отметки устья ствола, мм;

т! - оседание устья ствола на момент времени t v мм.

-205 П рогнозирование величины оседания устья ствола производится в зави­ симости от условий отработки угольных пластов или рудной залеж и с учетом осо­ бенностей сдвижения околоствольного массива при увеличении глубины ведения горных работ (Н) и изменении угла падения пласта (залеж и) (а ) на основе резуль­ татов и н стр у м ен тал ь н ы х н аб лю д ен и й за сд в и ж ен и ем зем н о й п овер х н о сти промплощ адки и устьев деформируемых стволов по мере их накопления.

Величины г)сп1 и Ллсгиопределяю тся по результатам инструментальных наблю ­ дений за сдвиж ением устья ствола или рассчиты ваю тся по разработанн ы м в Уральском ф илиале В Н И М И методикам расчета сдвиж ений и деф орм аций зем­ ной поверхности.

В рассматриваемых условиях при ведении горных работ с закладкой вырабо­ танного пространства накопление оседаний устья ствола «К» на Малышевском ме­ сторождении достаточно хорошо описывается степенно-показательной функцией:

= 5' и ’ ММ’ (3) где t - промежуток времени влияния горных работ на состояние ствола, лет.

П роизведена оценка состояния ствола «К» в зависимости от величины сдви­ жения устья, принимая во внимание, что суммарные горизонтальны е смещения устья ствола не превысили к 1995 г. 380 мм. Вертикальное смещ ение в районе ствола шахты «К» в 1995 г. составило порядка 250-280 мм по результатам инструменталь­ ных наблюдений, а по (3) при t - 22 r)cm=278 мм.

Показатель Б состояния ствола шахты «К» к 1995 г., равен Б = 2(0,25/0,12)0- = балла, что указывает на стадию установившегося деформ ирования с незначитель­ ным изгибом проводников и наличии отдельных трещ ин в крепи, заколов и выва­ лов на сопряжениях, что и проявилось в шахтном стволе по мере воздействия на него горных работ. П ри наблюдаемых горизонтальных смещ ениях до 380 мм в двух местах на расстоянии 60 м и 175 м от поверхности проявились сдвиги в крепи с появлением трещ ин раскрытием до 15 мм и изгиба проводников. Н есмотря на то, что шахтный ствол «К» получил к 1995 г. достаточно большие по величине сдви­ жения, опасных деф орм аций его крепи и армировки не наблюдалось. К 2005 г.

состояние ствола не ухудшилось в связи с прекращ ением очистных работ. В даль­ нейш ем с возобновлением горных работ возникш ие сдвиж ения и деф орм ации сжатия в околоствольном массиве могут привести к изменению состояния ствола.

В соответствии с расчетами по (1, 2) показатель Б при доработке месторождения не превысит 3,5-4,0 балла.

В связи со смещ ениями подработанного горного массива и деф ормациям и крепи и армировки шахтного ствола для обеспечения безопасной его эксплуата­ ции при Б более 3 балла необходимо осуществлять систематический контроль за соблюдением достаточных зазоров между движущимися сосудами и армировкой, а так же зазоров на стыках проводников. В первую очередь требуется регулярный надзор на деформированны х участках ствола и принятие своевременных мер по устранению недопустимых деформаций.

Ш ахтные стволы в зоне влияния очистных работ подверж ены искривлению вследствие смещений и сдвигов по напластованию и сместителям разрывных на­ рушений.

О тклонение ствола от вертикали в массиве по падению !Цу) может быть пред­ ставлено в зависимости от смещений устья ствола % : сп -206 = ^c,exP(-«,/0. (у * о), r (4) Ш где ас и вг - параметры аппроксимации;

у - ордината точки.

Степенной параметр вс выбирается на основе инструментальных наблюдений за смещением ствола. Исследования показали, что величина показателя в находит­ ся в зависимости от горно-геологических условий и степени воздействия изгиба и сдвига горных пород. Н а угольных месторождениях У рала степенной показатель вс = 1,2-2,0. Д ля ствола «К.» на Малышевском месторождении по данным наблю­ дений вс= 1,2, что обусловлено преобладанием деформаций сдвига в рассматрива­ емых условиях. П арам етр аппроксимации ас определяется в зависимости от соот­ ношения %/,сп и глубины Н от устья ствола до точки пересечения ствола и слабого к контакта, где возможен сдвиг пород и наблюдается наибольш ее искривление про­ водников.

Исходя из (4) этот параметр можно представить в виде:

(5) где - смещение ствола при у = Н а, мм.

По результатам наблю дений для ствола «К» при Я.к = 60 м по (5) получено, что aL.=0,0028 и по ф орм уле (4) определены п рогнозны е смещ ения и наклоны ствола «К» в западном направлении при доработке месторождения до горизонта 1 2 0 м.

П о известным величинам горизонтальных смещений рассчитанным по ф о р ­ муле (4) могут быть оценены сдвиги в околоствольном массиве, которые в осн ов­ ном п р о п о р ц и о н ал ьн о убываю т с уменьш ением сдвиж ений в зависим ости от величины отклонения ствола от вертикали в месте его пересечения со слабым контактом располож енном в верхней части подработанного массива до глубины 150-200 м.

Если сдвиг проявляется в нарушенной зоне, как это наблюдается в стволе «К»

при ук=175 м, в этом случае величину сдвига /гск можно оценить, как разность го­ ризонтальных смещ ений определяемых в соответствии с (4).

П рогноз оседаний на земной поверхности в подработанном массиве может быть осуществлен на основе результатов инструментальных наблюдений и их обоб­ щении. В результате исследований установлено, что кривая смещений достаточно хорошо может быть представлена показательно-степенной функцией с использова­ нием данных о смещениях в характерных точках на земной поверхности в районе промплощ адки и рассматриваемом горизонте в подработанной толщ е в виде:

(6) л(*,у) = лк(уЖ|00"а''у), Ф, у) = (хИ,.(у)У, где л к(у) - н аи больш ее (м аксимальное) оседание на поверхности при у = 0 и в толще на уровне рассматриваемого подработанного горизонта, определяемое по результатам наблюдений, мм;

/С,(у) - коэффициент характеризуемый отнош е­ нием оседания в точке перегиба т|,(у) к лк00 К \00 = 0,2-0,35;

/. (у) - расстояние от точки с оседанием л к0 0 Д° точки перегиба кривой оседаний, (/.(у) = к Ц у ), L (y) размер области влияния горных работ в соответствии с результатами наблюдений, м);

с - степенной показатель, (с = 0,75-2,5).

-207 В подработанном массиве в соответствии с результатами наблю дений на Ма лыш евском м есторож дении степенной показатель получен равным с — 1,0, ко­ эф ф ициент К х(у)=0,3-0,35 и /.(у) - (0,2-0,3)L (y), что позволяет прогнозировать величину оседания в подработанной толще пород по формуле (6 ).

Н а угольных месторождениях определяемые параметры в формуле (6 ) обус­ ловлены изгибом и сдвигом пород. Степенной показатель, в основном, более 2,0, наибольшее (максимальное) оседание на земной поверхности и в толще просле­ живается над выработанным пространством под углом максимального оседания 0, 1с(у) = (0,5-0,7 )L(y).

П ри прогнозе оседаний в толще по (6 ) может быть использована зависимость (4), на основе которой и установленных взаимоотношений определяется распре­ деление оседаний по вертикали ^ ( у ) в точке перегиба кривой оседаний на рас­ сматриваемом горизонте в зоне влияния горных работ и значение коэффициента А Г|(у)= г|1(у)/т1к(у) при известной величине максимального оседания на горизонте.

Здания, располож енны е на промплощадках шахт Челябинского угольного бас­ сейна и шахты «К» на Малышевском месторождении, претерпели весьма существен­ ные деф орм ации (до 4 -6 мм/м и более). Н а пром площ адке шахты «К» здания крепоразделочной, механической мастерской находятся в аварийном состоянии и требую т кон структивн ого усиления. Ф абрика «И», гранильны й цех, здание подъемной маш ины, А Б К, ком прессорная и др. имеют видимые повреж дения.

В надшахтном здании ствола «К» и здании бывшей проборазделочной выполне­ ны конструктивные меры защиты, позволяю щ ие сохранять сооруж ения в безо­ пасном эксплуатационном состоянии.

Выполненные Уральским филиалом в 1995-2006 гг. инструментальные наблю­ дения показали в целом снижение скоростей сдвижений на 25-30% по сравнению с 1993 г, вызванное прекращ ением в 1994-1995 гг. работ по добыче полезного ис­ копаемого. С дви ж ен и я пром площ адки стали более равном ерны м и. С корости оседаний реперов в прибортовой полосе снизились и приблизились к скоростям оседаний реперов более удаленных от карьера «М» и рудной залежи. В дальней­ шем следует ожидать более равномерного характера распределения величин сдвиже­ ний подработанного массива и снижения величин сдвижений при их постепенном накоплении.

В период с 1997 по 2005 гг. в Челябинском угольном бассейне горные работы на шахте «К оркинская» велись у северо-западной границы предохранительного целика по пласту «Подчумлякский» на расстоянии 440-640 м по простиранию и до 900 м по падению от ствола № 3. До 1997 г. пласт «Подчумлякский» в течение лет отрабаты вался по трем слоям 9-ю лавами, оказавш ими в зависимости от их положения, вынимаемой мощности и времени отработки вблизи границ целика различное влияние на здания и сооружения промплощ адки. УФ В Н И М И было рекомендовано вести очистные работы не ближе границы области опасного влия­ ния сдвижений по напластованию. Это в конечном итоге отразилось благоприят­ но на состоянии охраняемых объектов промплощадки. Наблю даемые сдвижения и деформации и их прирост во времени уменьшились до не опасных для деформи­ руемых сооружений значений. Тем не менее, ведение очистных работ вблизи границ предохранительных целиков является основной причиной постепенного увеличе­ ния сдвижений и деф ормаций земной поверхности и охраняемых объектов пром­ площадки, что подтверж даю т проведенные инструментальные наблюдения по сети грунтовых и стенных реперов и обследование зданий и сооружений.

-208 Надш ахтные здания стволов № 3 и № 4 претерпели деформации в виде тре­ щин раскрытием до 20-30 мм, которые были отмечены визуальными и инструмен­ тальными наблю дениями за период с 1990 по 2000 гг. В шахтных стволах новых трещин не отмечено, несмотря на то, что сдвижения проводников увеличились на 100-150 мм и достигли 700-750 мм в верхней их части. К 1998 г. критических значе­ ний (более 200 достиг наклон вала подъемной машины ствола № 4. В связи с этим были даны реком ен д ац ии по дальнейш ей эксп луатац и и п одъем ной маш ины.

В настоящее время продолжается увеличение сдвижений и деформаций в районе шахтного ствола № 4 со скоростями 10-15 мм в год, а наклон вала подъемной машины ствола № 4 превысил предельную величину 8 мм/м (28').

Систематические инструментальные наблюдения за сдвижением горных по­ род в районе промплош адки шахты «К оркинская» показали, что на сдвижение массива пород оказывает влияние тектоническая его нарушенность. Сдвижение под влиянием горных работ распространилось вплоть до наруш ения «Восточное», где крыло К оркинской мульды в районе ствола № 5 приобрело сложное блоковое строение. И сследования показали, что характер и развитие процесса сдвижения в районе стволов № 4 и № 5 связано с изгибом и сдвигом породных блоков между сместителями нарушений «Продольное 1,2» и «Восточное». За период наблюде­ ний с 1965 по 1995 гг. сдвижения устьев стволов № 1, 3 и 4 достигли 750 мм и распространились вглубь массива до 250 м. Н а основе результатов наблюдений получено, что околоствольный массив испытал деформации при оседаниях на по­ верхности до 300-350 мм, что также обусловило повышенную его напряженность.

Все это, по-видимому, сказалось на состоянии крепи и пород и их устойчивости по отношению к возникшим под влиянием горных работ в ослабленных зонах сдви­ говых деф о р м ац и й и повыш енных напряж ений. В рассматриваемы х условиях п р о сл еж и вается н ер ав н о м ер н о е расп ределен и е сдвиж ен ий и д еф о р м ац и й и распределение давлений на крепь шахтных стволов со стороны массива. Отсут­ ствие инструментального контроля в стволе № 5 и проработки П роекта на основе нормативных документов, ранее созданных В Н И М И и УФ В Н И М И, привело к катастрофическому деформированию вновь заложенного ствола № 5 в ослаблен­ ных зонах и зонах повышенного горного давления. Ствол № 5 был ликвидирован путем его полной засыпки.

Выбор и назначение мер охраны должно производиться на основе определе­ ния прогнозируемого состояния объектов в соответствии с прогнозом сдвижений и деформаций массива горных пород и земной поверхности, в зависимости от степе­ ни нарушенности сооружений по мере воздействия на них горных работ. М еры ох­ раны должны применяться в тех случаях, если в соответствии с расчетом ожидае­ мое состояние охраняемого объекта более допустимого (предельного). М еры по ликвидации нарушений крепи и армировки стволов надлежит разрабатывать на ос­ новании объективного установления и анализа причин нарушения, при этом необхо­ димо учитывать степень воздействия очистных работ на околоствольны й массив и крепь с оценкой Н Д С в зонах проявления горного давления и сдвига пород.

В опрос эф ф ективной отработки запасов вблизи шахтного ствола и других объектов промплощ адки при условии обеспечения их безопасной эксплуатации требует привлечения результатов исследования процесса сдвиж ения горных по­ род, развития методов прогноза сдвижений и деформаций горных пород и на их основе оценки состояния охраняемых объектов с учетом создавш ейся горнотех­ нической обстановки.

-209 П редлож енны е подходы и методики по прогнозу сдвижений и деформаций горных пород и оценки состояния охраняемых объектов на основе инструмен­ тальных наблю дений могут быть адаптированы прим енительно к другим рудным месторождениям, таким как Березовское золоторудное месторождение, Гайское, А лексан дровское и группы П одольских м едно-колчеданны х м есторож дений, Северо-уральское и Ю жно-уральское (СУБР И Ю УБР) месторождения боксито­ вых руд и др.

Литература 1. У казания по рациональному расположению, охране и поддерж анию горных выра­ боток на угольных шахтах СССР. J I. : ВН И М И, 1986. 222 с.

2. С амарин В. П., Б арсуков И. В., М орин С. В. М аркш ейдерское обеспечение безо­ пасности разраб отки М алы ш евского м есторож дения изум рудов // Б езоп асн ость труда в промыш ленности. М., 2005. № 7. С. 14-16.

-210 Канд. техн. наук А.Е. Х Л У С О В Научный центр геомеханики и проблем горного производства СПГГИ(ТУ) РАСЧЕТ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ АНКЕРНОЙ КРЕПИ КРОВЛИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК, ЗАКРЕПЛЕННЫХ ПО ПРИНЦИПУ ПОДВЕШИВАНИЯ СЛАБЫХ ПОРОД К УСТОЙЧИВЫМ Результаты исследований, помещенные в предлагаемой статье, получены ав­ тором во ВН И М И.

Встречающийся в горной практике случай, когда в кровле выработки недалеко от ее контура залегает относительно мощный слой прочной породы («порода мост»), с точки зрения теории анкерного крепления является наиболее простым, поскольку здесь расчет устанавливаемых анкеров обычно ведется на полный вес подвешиваемых породных слоев (рис. 1а). Однако, при таком упрощ енном подхо­ де плотность установки и толщина анкерных стержней могут оказаться невыгодно завышенными, если подш иваемые породные слои обладают некоторой устойчи­ востью. В данной работе предлагается способ расчета оптимальных параметров сталеполимерных анкеров, учитывающий несущую способность закрепляем ы х пород, а такж е совместный характер работы пород и крепи, что позволяет одно­ временно обеспечить и безопасное нахождение людей в выработке, и рациональную металлоемкость крепи. Решение задачи построено на использовании теории изги­ ба балок, лежащ их на упругом основании.

Расчетная схема показана на рис. 16. Будем считать, что слоистая нетрещ ино­ ватая кровля мощностью 2 /г., подшитая анкерами к «породе-мосту», представляет собой многослойную расслоившуюся балку, лежащую на сложном упругом осно­ вании. А, именно, - за пределами пролета балка покоится на основании (пласте угля) с коэфф ициентом податливости &, а в пределах ширины в ы р а б о тк и / испы­ тывает действие сосредоточенных реакций (отпора) анкерной крепи Rm, которые, заменив эквивалентной распределенной нагрузкой га(х), примем за реакцию не­ которого упругого основания с коэффициентом податливости ка. Величины этих коэффициентов будут определяться равенствами [1 ] ( 1) (2) и -211 где ji(, Е - соответственно, коэффициент Пуассона и модуль деформации полез­ ного ископаемого в пласте при его сжатии;

h - мощность пласта;



Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 || 7 | 8 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.