УДК
622.837:622.016.22.001.05
Прогноз
вертикальных сдвижений и деформаций массива
горных пород
С.Б.Кулибаба (УкрНИМИ), М.С.Кулибаба
(ДонГТУ)
Одним из путей решения проблемы рационального использования
природных ресурсов и наиболее полного извлечения угля из недр является
расконсервация его запасов из предохранительных целиков. Более чем
двадцатилетний опыт подработки вертикальных шахтных стволов и технических
скважин /1,2,3/ показывает реальную возможность как частичной, так и полной
отработки предохранительных околоствольных целиков. Однако при этом, для
принятия обоснованного решения о конкретных размерах такой подработки с учетом
возможного применения конструктивных мер охраны ствола, необходим достоверный
прогноз сдвижений и деформаций околоствольного породного массива.
В условиях разработки некрутых (с углом падения до 300)
угольных пластов наиболее характерными являются вертикальные сдвижения массива,
способные вызвать у подрабатываемых вертикальных выработок достаточно серьезные нарушения крепи и
армировки. Поэтому разработка надежных методов прогноза вертикальных сдвижений
и деформаций массива над очистными выработками является актуальной.
Опыт расчета сдвижений массива по существующей методике /4/
показывает, что она страдает рядом неточностей и упрощений, которые в конечном
счете приводят к погрешностям прогнозируемых величин. К основным недостаткам
этой методики относятся такие, как некорректный учет степени подработанности
массива по вертикали; приближенный расчет деформаций в зоне полных сдвижений;
односторонний подход к расчету сдвижений, производимому на разрезе лишь по
одному сечению мульды, т.е. без учета объемности процесса.
На основе анализа целого ряда экспериментов, проведенных в УкрНИМИ,
авторами разработана новая методика расчета сдвижений подрабатываемого массива
горных пород, которая лишена указанных выше недостатков. В ее основу легли
следующие экспериментально доказанные положения.
Ключевую роль в формировании сдвижений и деформаций породной
толщи над выработанным пространством играет зона полных сдвижений, границы
которой в массиве с определенной степенью точности определяются с помощью углов
полных сдвижений. Внутри этой зоны направление векторов сдвижения нормально к
напластованию, а изменение их величины по высоте носит нелинейный характер. При
этом наблюдается два характерных участка , где деформации растяжения массива в
вертикальном (нормальном) направлении имеют повышенные значения. Один из них
находится вблизи выработанного пространства угольного пласта, а второй - в
районе границ зоны полных сдвижений.
Относительная величина сдвижения qп любой точки в зоне полных сдвижений зависит от
относительной ее удаленности от угольного пласта по нормали к напластованию и
может быть описана зависимостью
,
где а0 и а1
- эмпирические коэффициенты, учитывающие степень метаморфизма вмещающих пород;
n1 и n2 - параметры, определяющие
местоположение сечения, параллельного напластованию, в котором расположена
расчетная точка, в зоне полных сдвижений соответственно на разрезах вкрест и по
простиранию:
где Мi - расстояние, измеряемое по нормали к напластованию
от пласта до i-й расчетной точки
массива;
D1
и D2 - размеры
выработанного пространства соответственно вкрест и по простиранию пласта;
y1, y2 и y3 - углы полных сдвижений.
При удалении от зоны полных сдвижений величина вектора сдвижения
уменьшается, принимая нулевые значения на границах области сдвижения массива и
отличные от нуля - на земной поверхности в пределах мульды. При этом относительная
величина вектора сдвижения точки зависит от степени ее подработанности и от ее
местоположения в мульде сдвижения в обоих главных сечениях.
Расчет производится одновременно на двух вертикальных разрезах
по главным сечениям мульды сдвижения, на каждом из которых выделяются следующие
основные зоны сдвижения в подрабатываемом массиве горных пород (рис. 1): зона
полных сдвижений (1), расположенная непосредственно над выработанным
пространством (зона обрушений, находящаяся между выработанным пространством и
зоной полных сдвижений здесь не рассматривается ввиду ее относительно малых
размеров по нормали к напластованию); зоны перегибов слоев (2), граничащие с
обеих сторон с зоной 1; зона неполных сдвижений (3), расположенная выше зон 1 и
2 между линией полной подработки массива (AB на рис. 1) и земной поверхностью.
Оценка точности предлагаемой методики произведена путем сравнения
прогнозных сдвижений с фактическими, измеренными на наблюдательных станциях.
Так, на рис.2 приведены графики
фактических и ожидаемых оседаний крепи вентиляционного ствола №2 шахты
"Центральная Белянка" объединения "Луганскуголь",
подработанного в 1977 г. по пласту g3.
|
Здесь же помещен график ожидаемых оседаний, рассчитанных по методике
/4/, из сравнения с которым можно сделать вывод о том, что новая методика
прогноза сдвижений массива горных пород дает более точные результаты.
Разработан алгоритм для автоматизации расчетов на ЭВМ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Охрана и поддержание
глубоких вертикальных стволов в
Донбассе/ В.М.Кулешов, И.А.Южанин, С.Б.Кулибаба,
В.А.Дрибан: Обзор/ ЦНИЭИуголь. -М.,1987. -31с.
2. Опыт расконсервации
околоствольных целиков с применени-
ем гармонической отработки пластов/ С.Б.Кулибаба,
С.В.Голдин, Г.И.Сазонов, А.П.Литвиненко// Уголь Украи-
ны. -1989. -№7. -С. 7-8.
3. Выемка предохранительного
целика под действующим верти-
кальным стволом/С.Б.Кулибаба, И.А.Южанин, И.А.Колдунов,
С.В.Голдин// Уголь Украины. -1991. -№8. -С.28-31.
4. Указания по рациональному
расположению, охране и под-
держанию горных выработок на угольных шахтах СССР/
ВНИМИ Минуглепрома СССР. -Л.:ВНИМИ. -1986. -222с.