ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ПЕТРУШИН ОЛЕКСАНДР ГЕННАДІЙОВИЧ

УДК 622.834.1

ЗРУШЕННЯ ТА ДЕФОРМАЦІЇ ЗЕМНОЇ ПОВЕРХНІ ПРИ ПІДРОБЦІ ТЕКТОНІЧНИХ ПОРУШЕНЬ ПОЛОГИМИ ВУГІЛЬНИМИ ПЛАСТАМИ

Спеціальність 05.15.01 – “Маркшейдерія”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Донецькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор ГАВРИЛЕНКО Юрій Миколайович, професор кафедри “Геоінформатика і геодезія” Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України, м. Донецьк.

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, профессор НАЗИМКО Віктор Вікторович, завідувач лабораторією комп'ютерного і фізичного моделювання необоротних процесів Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України, м. Донецьк..

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник КУЛІБАБА Сергій Борисович, провідний науковий співробітник Українського державного науково-дослідного проектно-конструкторського інституту гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи Національної академії наук України, м. Донецьк.

Провідна установа: | Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, кафедра маркшейдерії, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться 14 листопада 2003 року о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .052.05 у Донецькому національному технічному університеті за адресою: 83000 м. Донецьк, вул. Артема, 58, I навч.к., ауд. 1201.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донецького національного технічного університету (83000 м. Донецьк, вул. Артема, 58, II навч.к.)

Автореферат розісланий 10 жовтня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 11.052.05

доктор технічних наук, професор М.Р. Шевцов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Відомо, що при підробці розривних тектонічних порушень останні значно змінюють параметри процесу зрушення і характер розподілу деформацій, що викликано як вигином порід порушеної зони, так і зсуванням порід по площині зміщувача.

Встановлення закономірностей впливу розривних тектонічних порушень на деформації земної поверхні є однією з найскладніших задач теорії зрушення. Це обумовлено великою кількістю факторів, що впливають та визначають зрушення і деформації земної поверхні як інтегральної характеристики деформування всього масиву (деформаційні характеристики масиву гірських порід, вугільного пласта і тектонічного порушення, форма очисної виробки та її розташування щодо елементів залягання пласта і розриву, потужність тектонічної зони і т.д.).

Існуючі геомеханічні схеми дозволяють прогнозувати характер впливу на деформування гірських порід поздовжніх і поперечних розривів у плоских перетинах вхрест простягання зміщувача, досить віддалених від границь виробленого простору. Разом з тим, до 75% тектонічних порушень орієнтовані діагонально до простягання пластів і напрямку ведення очисних робіт. Характер їхнього впливу на розподіл зрушень гірських порід не досліджувався.

Таким чином, на даному етапі розвитку теорії зрушення не існує у достатньому ступені обґрунтованих методів прогнозування зрушень і деформацій земної поверхні по всій площі мульди, у яку попадає вихід тектонічного розриву.

Це ставить питання про необхідність додаткових досліджень, спрямованих на вивчення і встановлення закономірностей і залежностей впливу тектонічних порушень на розподіл зрушень у просторовій постановці задачі.

Просторові схеми зрушення дозволять прогнозувати деформації земної поверхні для будь-якої ділянки зони впливу очисної виробки. Це надасть можливість, на підставі встановлених закономірностей впливу розривів, більш надійно прогнозувати місце розташування виходу порушення, керувати процесом зрушення, знизити шкідливий вплив гірничих робіт, рівень економічних витрат на охорону та підтримування об'єктів земної поверхні. Все це визначає актуальність роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до наукового напрямку кафедри геоінформатики і геодезії Донецького національного технічного університету у рамках аспірантського плану науково-дослідної роботи.

Мета роботи – встановлення характеру розподілу зрушень і деформацій земної поверхні в межах всієї мульди зрушення при підробці розривних тектонічних порушень пологими вугільними пластами.

Ідея роботи полягає в розробці об'ємної математичної моделі, що описує геометричні та деформаційні співвідношення основних структурних елементів порушеного масиву, і її використанні для встановлення закономірностей і залежностей впливу розривів на розвиток процесу зрушення.

Для досягнення поставленої мети визначені такі задачі дослідження:

- розробити методику математичного моделювання процесу зрушення методом скінченних елементів у просторовій постановці для умов відробки пологих вугільних пластів і наявності розривних тектонічних порушень;

- розробити програмні засоби, що реалізують тримірну математичну модель масиву, який порушено тектонічним розривом і гірничими роботами;

- оцінити працездатність моделі шляхом порівняння із результатами натурних спостережень та існуючими методиками прогнозування зрушень і деформацій земної поверхні;

- вивчити особливості процесу зрушення гірських порід і земної поверхні на тримірних математичних моделях при підробці поздовжніх і поперечних розривних тектонічних порушень пологими вугільними пластами;

- дослідити особливості процесу зрушення при підробці діагональних розривних порушень пологими пластами.

Об'єктом дослідження дисертаційної роботи є земна поверхня у зоні впливу підземних гірничих розробок.

Предмет дослідження – зрушення та деформації земної поверхні по всій площі мульди зрушення при підробці розривних тектонічних порушень пологими вугільними пластами.

Методи дослідження. Поставлена у дисертаційній роботі мета досягнута шляхом комплексного дослідження, що включає: вивчення літературних даних для встановлення існуючих уявлень про характер впливу розривів на процес зрушення і деформування; чисельне об'ємне моделювання процесу зрушення методом скінченних елементів при підробці розривних порушень пологими вугільними пластами й аналітичні дослідження методами математичної статистики отриманих результатів для виявлення закономірностей розподілу зрушень і деформацій земної поверхні; на базі встановлених залежностей цілеспрямований аналіз і узагальнення даних натурних маркшейдерських спостережень за зрушеннями і деформаціями земної поверхні.

Основні наукові положення, що виносяться на захист, та їх новизна:

1. Для вертикальних перетинів області впливу очисної виробки, розташованих вхрест простягання розриву, існують три характерні зони, що відрізняються ступенем впливу тектонічного порушення на зрушення і деформації земної поверхні: зона максимального впливу, перехідна зона впливу і зона відсутності впливу порушення.

Встановлено, що в зоні максимального впливу порушення зміни зрушень і деформацій стосовно деформацій непорушеного розривом масиву рівні між собою та є максимальними; у перехідній зоні відносні деформації поступово змінюються від максимальних значень до мінімальних; у зоні відсутності впливу порушення величини зрушень і деформацій дорівнюють аналогічним величинам непорушеного розривом підробленого масиву. У зонах впливу характер розподілу зрушень і деформацій залишається подібним для будь-якого перетину. Границі зон визначаються: кутом максимального впливу і кутом впливу порушення. Ці кути відповідно становлять 70ч75 та 80ч85.

2. Вперше встановлено, що тектонічне порушення змінює величини зрушень і деформацій земної поверхні у перетинах орієнтованих вздовж зміщувача: у активному крилі збільшує, а у пасивному зменшує в 1.5?3 рази в порівнянні з непорушеним масивом.

3. Вперше встановлено, що біля виходу тектонічного порушення під наноси розташовані зони підвищеного скошування земної поверхні, які мають форму еліпсів витягнутих уздовж зміщувача, де максимальні значення перевищують відповідні величини в 2?6 разів у порівнянні з непорушеним масивом.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечується:

- використанням фундаментальних положень теорії зрушення гірських порід і земної поверхні, механіки гірських порід, методу скінченних елементів, структурної геології, математичної статистики;

- великим обсягом маркшейдерських спостережень за зрушеннями земної поверхні в різних гірничо-геологічних умовах, використовуваних для узагальнення і встановлення основних закономірностей (7 спостережних станцій з 23 профільними лініями на кожній);

- аналітичними дослідженнями на більш ніж 120 моделях, що дають задовільну збіжність з натурними спостереженнями (похибки не перевищують 1020% для осідань та нахилів, 3040% – для горизонтальних зрушень і деформацій).

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей просторового деформування земної поверхні по всій площі мульди зрушень при підробці пологими вугільними пластами розривних тектонічних порушень.

Практичне значення отриманих результатів :

- розроблено методику просторового прогнозування зрушень і деформацій земної поверхні, яка враховує структурні особливості геологічної будівлі товщі, що дозволяє вибирати оптимальні конструктивні та гірничі міри захисту будинків і споруд, що підроблюються;

- отримано коефіцієнти впливу поздовжніх і поперечних порушень, що дозволяють прогнозувати за значеннями зрушень і деформацій у головному перетині мульди, отриманих за відомими методиками, характер розподілу зрушень і деформацій у паралельних перетинах;

- встановлено, що для перетинів, паралельних головним перетинам мульди, характер впливу діагонального тектонічного порушення на розподіл зрушень і деформацій земної поверхні аналогічний впливу поздовжніх (поперечних) розривів, що виходять під наноси у тому ж місці, що й діагональне порушення для аналізованого перетину. Це дозволяє застосувати для діагональних порушень коефіцієнти впливу і закономірності, отримані для поздовжніх (поперечних) видів розривів;

- отримані результати дозволяють підвищити надійність прогнозування зрушень і деформацій земної поверхні при підробці розривних тектонічних порушень пологими вугільними пластами;

- результати роботи можуть бути використані у нормативно-методичних документах, що регламентують питання виїмки запасів під забудованими територіями, а також умови будівництва на вугленосних площах.

Особистий внесок здобувача полягає у розробці методики математичного моделювання процесу зрушення методом скінченних елементів у просторовій постановці задачі для умов відробки пологих вугільних пластів та наявності розривних тектонічних порушень; в обґрунтуванні деформаційних параметрів основних структурних елементів масиву гірських порід; у розробці алгоритму формування системи вузлових точок і програмного забезпечення, що реалізує тримірну математичну модель зрушення; у підготовці розрахункових схем і проведенні обчислювальних експериментів; в аналізі та узагальненні отриманих результатів.

Апробація роботи. Основні наукові та прикладні положення роботи доповідалися й одержали схвалення на науково-технічних конференціях: “Практика і перспективи розвитку інституційного партнерства” (Донецьк, 10-11 квітня 2001 р.), “Проблеми і перспективи використання геоінформаційних технологій у гірничій справі ” (Дніпропетровськ, 15-17 травня 2001р.); “Сучасні шляхи розвитку маркшейдерсько-геодезичних робіт на базі передового вітчизняного і закордонного досвіду” (Дніпропетровськ, 16-19 жовтня 2002г).

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані у п’яти статтях у збірниках наукових праць.

Обсяг і структура роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів та висновків. Дисертація викладена на 203 сторінках, включаючи 78 рисунків, 17 таблиць, список використаних джерел з 111 найменувань та два додатки на 77 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ дисертації присвячений аналізу стану вивченості питання дослідження характеру розподілу зрушень і деформацій земної поверхні по площі мульди зрушення при підробці розривних тектонічних порушень пологими вугільними пластами.

Геологічні порушення при їх підробці приводять до аномального розвитку процесу зрушення в масиві гірських порід та на земній поверхні. Зі збільшенням глибини розробки їх вплив при виборі мір охорони об'єктів денної поверхні є визначальним, тому що очікувані зрушення і деформації у звичайних умовах невеликі за величиною та прогнозуються з достатньою інженерною точністю.

Вивченням характеру розвитку процесу зрушення при підробці розривів у Донбасі займалися такі дослідники, як В.І. Коваленко, В.М. Земісев, Ю.Б. Файнштейн, Ю.М. Гавриленко та ін. Підсумком їх роботи стала розробка ряду методик й геомеханічних схем, що дозволяють прогнозувати вплив на деформування гірських порід поздовжніх і поперечних розривів у плоских перетинах вхрест простягання зміщувача, досить віддалених від границь виробленого простору.

Аналіз літературних джерел по даному питанню показав, що методи вивчення і прогнозування деформацій земної поверхні, які існують, спрямовані на рішення плоскої задачі зрушення для поздовжніх перетинів, що не залежать від поперечних розмірів очисної виробки. Це у свою чергу не дозволяє прогнозувати розподіл зрушень і деформацій у крайових перетинах зони впливу виробки, у перетинах паралельних зоні порушених порід, врахувати діагональне розташування розриву щодо напрямку ведення очисних робіт і неправильну форму виробленого простору.

Рішення поставлених питань можливо тільки при дослідженні деформацій земної поверхні по всій площі мульди зрушення. Найбільш перспективною методикою дослідження у даному випадку є об'ємне математичне моделювання процесу зрушення масиву гірських порід та земної поверхні з подальшим цілеспрямованим вивченням даних натурних маркшейдерських спостережень по отриманих закономірностях і залежностях. На підставі проведеного аналізу сформульовані задачі дослідження.

Другий розділ дисертації присвячений розробці на базі методу скінченних елементів (МСЕ) об'ємної математичної моделі, що описує геометричні та деформаційні співвідношення основних структурних елементів порушеного масиву і перевірці відповідності результатів моделювання існуючим уявленням про характер розподілу зрушень і деформацій у мульді.

У роботі досліджувалися математичні моделі в умовах тривісного напружено-деформованого стану. У тримірній геомеханічній задачі МСЕ в основному масиві виділяється область дослідження, що має форму довільного прямокутного паралелепіпеда, який вбирає до себе очисну виробку та всю зону її впливу. Область дослідження поділяється на скінченне число елементів, що мають форму гексаедра і взаємодіють між собою тільки у вузлах. Переміщення будь-якої точки усередині елемента визначаються переміщеннями його вузлових точок через апроксимуючий поліном функціями форми.

Імітація очисної виробки здійснюється завданням відповідним елементам розрахункової схеми спеціальних пружних характеристик, при яких виконується умова непроникнення порід покрівлі у породи підошви вугільного пласта й забезпечується ущільнення елемента практично на величину, близьку до потужності пласту.

Основними труднощами у розробці комп'ютерної технології, що реалізує просторову математичну модель, є створення, опис і введення у комп'ютер геометричної схеми та вирішення великої системи лінійних рівнянь.

З метою забезпечення автоматизованої побудови розрахункової схеми був розроблений алгоритм, що дозволяє сформувати систему вузлових точок шляхом перетину трьох систем площин:

- системи вертикальних площин, паралельних осі абсцис;

- системи вертикальних площин, паралельних осі ординат;

- системи площин приблизно паралельних площині вугільного пласта, що визначають розподіл масиву на шари.

Площини третьої системи при пологому заляганні пластів поступово змінюють кут свого нахилу від кута падіння ? у покрівлі й підошві пласта, стаючи горизонтальними на нижній границі схеми та на границі корінних порід і наносів (рис. 1).

Для одержання розрахункової схеми при наявності розривного тектонічного порушення вносяться зміни у напрямок системи площин, паралельних осі абсцис чи ординат, у залежності від того, з якою з осей зміщувач утворює менший кут. Площини, що визначають границі порушеної зони будуються паралельно зміщувачу. А інші рівномірно змінюють кут свого розвороту від кута простягання та падіння зміщувача до кута відповідної осі координат (ОX або ОY) і вертикального положення у напрямку до границь масиву досліджень, тобто використовується той же принцип, що і для системи площин, які визначають нашарування порід (рис. 1).

Враховуючи специфіку дискретизації області на скінченні елементи, для завдання форми виробки і її просторової орієнтації використовується алгоритм апроксимації планового контуру виробленого простору чотирикутниками з наступним проектуванням вузлових точок на поверхню покрівлі та підошви вугільного пласта та формуванням просторових скінченних елементів.

Матриця твердості системи (МТС) являє собою набір коефіцієнтів системи лінійних рівнянь, що зв'язують 3·n переміщень вузлових точок уздовж осей координат з 3·n вузловими силами (де n – кількість вузлів). Для збереження МТС потрібно багато оперативної та дискової пам'яті. Так, для невеликої розрахункової схеми на 3000 вузлів, формується система лінійних рівнянь обсягом у 620 Мбайт. Збереження і рішення такої системи можливе тільки з застосуванням спеціальних методів. Враховуючи, що МТС є симетричною позитивно визначеною стрічковою матрицею, для її рішення доцільно застосувати трикутне розкладання за способом Холецького. При цьому в пам'яті можна зберігати тільки нижню трикутну матрицю.

У зв'язку з великою кількістю шарів у реальному масиві, відсутністю повної та надійної інформації про його структуру, фізико-механічні і деформаційні характеристики, доцільно для завдання властивостей масиву гірських порід використовувати трансверсально-ізотропну модель середовища, яка орієнтована на опис шаруватих структур. Основні характеристики такого середовища: модулі пружності (E1 і Е2) і коефіцієнти Пуассона (v1 і v2) у напрямку шаруватості й у напрямку перпендикулярному нашаруванню, а також модуль зсуву у напрямку перпендикулярному нашаруванню (G2).

Незалежні дослідження, виконані Ю.М. Гавриленком в Україні методом скінченних елементів і З. Фаном у Німеччині методом граничних елементів, показали, що таке середовище, з модулем зсуву в перпендикулярному нашаруванню напрямку рівним 5%?15% від модуля зсуву ізотропного масиву, дає найкращі збіги величин зрушень і деформацій земної поверхні за результатами моделювання з фактичними даними натурних спостережень.

Розмаїтість гірських порід у відношенні їх механічних властивостей значно перевищує чисельність найменувань їх літотипів. Отже, дані різних каталогів і табличних зведень варто розглядати лише як попередній і оціночний матеріал.

Враховуючи ці дані, з метою обґрунтування деформаційних характеристик вугільного пласта й масиву в умовах тривісного напруженого стану, було проведене дослідження на більш ніж 30 моделях. У процесі дослідження змінювалися: модуль пружності пласту і масиву (від Е ·107 Па до Е ·1011 Па), коефіцієнт анізотропії (від 1% до 25%). Аналіз отриманих даних показав:

- збільшення модуля пружності не змінює якісної картини розподілу зрушень і деформацій, але приводить до зменшення абсолютних значень осідань, нахилів, горизонтальних зрушень і деформацій;

- модуль зсуву визначає прогин шарів. Зменшення значення модуля зсуву приводить до того, що пласти максимально вписуються в порожнечі, що утворилися. Це викликає збільшення осідань і розмірів плоского дна мульди зрушення, що обумовлює ріст нахилів.

За результатами проведеного дослідження прийняті для опису масиву гірських порід і вугільного пласта наступні значення величин: , при яких проводилася більша частина розрахунків.

Для оцінки точності моделі було проведене порівняння результатів моделювання з існуючими методиками прогнозування зрушень і деформацій і даними натурних маркшейдерських спостережень. Аналіз отриманих даних показав, що якісна картина процесу зрушення відповідає існуючим уявленням про характер розподілу зрушень і деформацій. Функції розподілу, визначені за даними об'ємної задачі на базі нормованих кривих осідань, нахилів і горизонтальних зрушень та деформацій, і нормативні функції розподілу практично збігаються. Кількісні значення осідань і нахилів за результатами об'ємного моделювання незначно відрізняються від прогнозованих по інших методиках – не більш 5 ч %.

Для встановлення характеру впливу дискретизації масиву на результати моделювання і вибору оптимальних розмірів елементів були проведені розрахунки для ряду схем з однаковими гірничо-геологічними умовами і різними розмірами елементів (від 20 м до 50 м). Аналіз результатів показав, що оптимальними за часом рішення, обсягом інформації, що зберігається, і точністю одержуваних результатів є скінченні елементи з розміром 30 ? м.

Аналіз літературних даних показав, що тектонічне порушення при моделюванні процесів зрушення можна представляти як зону зі зниженою на 12 порядки міцністю щодо основного масиву.

Виконаними дослідженнями встановлено, що найбільш повно існуючим представленням про характер впливу порушення відповідає трансверсально-ізотропне середовище (напрямок осей анізотропії уздовж і поперек розриву, тому що головна система тріщин паралельна зміщувачу) зі зниженим щодо основного масиву на один чи два порядки модулем пружності і модулем зрушення, що складає 15% від модуля зрушення ізотропного масиву ( ).

У третьому розділі дисертації представлені результати дослідження характеру впливу поздовжніх і поперечних видів тектонічних порушень на процес зрушення в межах усієї зони впливу виробки. Поперечними вважалися порушення строго паралельні короткій стороні очисної виробки, а поздовжніми – строго паралельні довгій стороні виробки.

У дослідженні використовувалися моделі з горизонтальним вугільним пластом потужністю 1 м, що залягає на глибині 200 метрів. Усього було розраховано і проаналізовано більш 50 моделей з різними параметрами: розміри очисної виробки (від 200 м до 700 м), нормальна потужність порушеної зони (від 10 м до 60 м), кут падіння розриву (від 30° до 70°), положення тектонічного порушення в різних частинах зони впливу очисної виробки.

За характером впливу порушення на процес зрушення можна виділити дві групи моделей:

-

-

Ефект прояву впливу тектонічного порушення полягає в наступному: змінюється форма мульди зрушення в плані; у зоні порушених порід збільшується інтенсивність зміни осідань та, як наслідок, зростають нахили і кривизна; зона максимальних осідань трохи зміщається убік тектонічного порушення. Порівнюючи отримані результати з мульдою зрушення для непорушеного масиву, можна виділити положення зони інтенсивного впливу тектонічного порушення, що прилягає до виходу тектонічного порушення під наноси, а її границі знаходяться в межах проекції очисної виробки на земну поверхню (заштрихована область, рис. ).

У головних перетинах мульди зрушення вхрест простягання порушення результати об'ємного моделювання відповідають існуючим геомеханічним схемам для плоскої задачі зрушення. Порівняння графіків зрушень і деформацій для однієї з характерних схем представлене на рис. (положення аналізованих перетинів у плані (позначені латинськими буквами) показане на рис. 2, а.).

Картина розподілу зрушень і деформацій у головному перетині мульди зрушення приблизно в тих же співвідношеннях між порушеним і непорушеним масивом зберігається для різних перетинів вхрест простягання порушення приблизно в межах границь виробленого простору (рис. , а).

Для виявлення ступеня прояву порушення в різних перетинах вхрест простягання розриву були обчислені відносні величини зміни зрушень і деформацій, що залежать від положення цих перетинів у зоні впливу виробки, за формулою:

де Р, РТ – зрушення (деформація) у непорушеному і порушеному масиві відповідно;

На основі нормованих величин P(z) були отримані коефіцієнти впливу порушення К(z) (рис. 4, права частина). Їх аналіз показує, що за характером впливу можна виділити три зони. Центральна зона, де зазначені коефіцієнти дорівнюють 1. Дану зону можна охарактеризувати як зону максимального впливу порушення. Її розміри залежать від довжини виробки. Границя цієї зони визначається внутрішнім щодо виробленого простору кутом, рівним 70-75, який рекомендується іменувати кутом максимального впливу порушення . Друга зона – це перехідна зона впливу порушення, що характеризується зниженням ступеня прояву ефекту порушення. Тут вищевказані коефіцієнти різко зменшуються. Границями цієї зони є лінія, проведена під кутом максимального впливу порушення і лінія, проведена під зовнішнім щодо виробленого простору кутом = 80-85. Цей кут пропонується іменувати кутом впливу порушення. У третій зоні вплив порушення відсутній. Границі цієї зони визначаються лініями, проведеними під кутом впливу порушення і граничним кутом зони впливу очисної виробки .

Встановлені зони впливу можуть бути використані для попередньої оцінки ступеня небезпечного впливу порушення на об'єкти земної поверхні. Використовуючи графіки, приведені на рис. 4, можна визначити зрушення і деформації для будь-якого перетину вхрест простягання порушення з достатньою інженерною точністю (похибки не перевищують 10?20% для осідань та нахилів, 30?40% для горизонтальних зрушень та деформацій), не прибігаючи до рішення просторової задачі.

Зміна форми мульди зрушення (рис. 2) викликає зміну розподілу зрушень і деформацій не тільки вхрест простягання розриву, але й уздовж його (рис. 5). Основні закономірності зрушень і деформацій у перетинах паралельних простяганню порушення полягають у наступному: графіки зрушень і деформацій масиву з порушенням подібні графікам зрушень і деформацій непорушеного масиву (рис. ); у центрі перетинів висячого крила осідання менше осідань непорушеного масиву; в центрі перетинів лежачого (активного) крила, що прилягають до зони порушення, осідання більше осідань непорушеного масиву чи практично не відрізняються від очікуваних; у висячому крилі спостерігається зменшення максимумів нахилів, горизонтальних зрушень і деформацій, а в лежачому зворотна картина – збільшення абсолютних значень деформацій (приблизно в .5?3 рази). Використовуючи той же принцип, що і для перетинів вхрест простягання порушеної зони, були визначені коефіцієнти впливу порушення для перетинів, паралельних простяганню порушення (рис. 4, ліва частина).

Отримані закономірності якісно і кількісно (похибки не перевершують точності нормативних методик) підтверджуються даними натурних маркшейдерських спостережень.

У четвертому розділі виконане дослідження деформацій земної поверхні при підробці діагональних тектонічних порушень.

Для встановлення особливостей впливу діагональних розривів на характер розподілу зрушень і деформацій були виконані розрахунки і проаналізовані більш 30 різних моделей. При цьому змінювався кут падіння зміщувача порушення в інтервалі від 30? до 80?, нормальна потужність порушеної зони від 10 до 50 м, кут розвороту простягання розриву щодо напрямку ведення гірничих робіт у діапазоні від 0? до 90? (через 5 – 10?).

Методика аналізу була такою ж, як і при дослідженні впливу поздовжніх (поперечних) розривів. Додатково порівнювався розподіл зрушень з відповідними поздовжніми (поперечними) тектонічними порушеннями, що виходять під наноси в тому ж місці, що й діагональний розрив.

На рис. показані ізолінії осідань земної поверхні порушеного і непорушеного масивів для найбільш характерних діагональних порушень. Аналіз виконаних досліджень дозволив зробити висновок, що якісна картина впливу діагонального порушення, яке перетинає всю зону впливу очисної виробки, у перетинах паралельних головним відповідає характеру впливу поздовжніх і поперечних розривів для перетинів вхрест простягання з урахуванням зони, у якій виходить порушення в аналізованому перетині.

Кількісні значення для осідань і нахилів практично збігаються (з точністю до 10%) для діагонального і поздовжнього (поперечного) виду порушень.

Концентрація ж горизонтальних зрушень при підробці діагональних порушень і відповідних поздовжніх (поперечних) розривів відрізняється приблизно в 1.5?2.5 рази, що обумовлено виходом розриву під наноси в декількох зонах. У перетинах, де порушення ще не перетинає лінію максимальних осідань, зрушення лежачого крила при підробці діагонального порушення більші за абсолютними значеннями, чим при підробці поздовжнього розриву, а у висячому крилі навпаки – менше. У тих перетинах, де порушення перетинає лінію максимальних осідань, спостерігається зворотна картина.

Кількісна картина розподілу горизонтальних деформацій для діагонального і відповідних поперечних (поздовжніх) порушень практично збігається. Відмінності спостерігаються тільки у зоні виходу розриву під наноси: максимуми горизонтальних деформацій стиску при підробці діагонального порушення приблизно в два рази менше, ніж при підробці поздовжніх розривів.

Порівняльний аналіз графіків деформацій для висячого і лежачого крил з деформаціями тектонічно однорідного масиву у перетинах уздовж порушення показав, що вплив діагонального порушення на характер розподілу зрушень і деформацій земної поверхні аналогічний впливу поздовжніх (поперечних) розривів. При цьому спостерігається невелика несиметричність графіків щодо виробленого простору, що пояснюється діагональним положенням перетину відносно очисної виробки.

Для будівель і споруд на територіях, що підроблюються, важливими є площадні деформації, такі як, наприклад, скошування, що у цілому характеризує деформації об’єктів в горизонтальній площині. Вплив тектонічних порушень на даний вид деформацій раніше не досліджувався.

При підробці масиву без порушення деформації скошування мають вид, показаний на рис. . У загальному випадку спостерігаються чотири екстремуми деформацій скошування: два негативних і два позитивних, які концентруються над кутами проекції виробки на земну поверхню. Абсолютні значення максимумів скошування однакові, а знаки збігаються для діагонально протилежних вершин. По головним перетинах мульди зрушення проходять ізолінії з нульовими значеннями скошування.

На рис. 8 представлений ряд характерних картин розподілу скошування при підробці поздовжніх (поперечних) та діагонального розривів.

При підробці поздовжніх (поперечних) розривів біля виходу диз’юнктива під наноси (з боку висячого крила) утворюються дві додаткові зони підвищених деформацій, протилежних за знаком і однакових за абсолютним значенням. Вони мають еліпсовидну форму і витягнуті уздовж розриву. Максимуми в цих зонах перевищують максимальні величини для непорушеного масиву в 2  разів. Ці зони рекомендується іменувати зонами тектонічного скошування. Якщо порушення перетинає лінію максимальних осідань (рис. , а-б), то над виходом розриву під наноси можуть утворюватися ще дві додаткові еліпсовидні зони підвищених деформацій, протилежних за знаком, що складають 50%-80% за абсолютною величиною щодо максимумів зон тектонічного скошування.

Наявність зони тектонічного скошування приводе до того, що в зонах екстремумів над кутами виробки максимальні скошування зменшуються приблизно в 1.5 рази відносно непорушеного масиву (рис. , а-в).

При підробці діагонального тектонічного порушення відбувається кардинальна зміна якісної і кількісної картини розподілу скошування, характерної для непорушеного масиву гірських порід. У цьому випадку зона тектонічного скошування цілком розташована над виходом розриву під наноси і має форму витягнутого еліпса (рис. , д). Максимуми скошування в цій зоні у 5 разів перевищують максимальні величини для непорушеного масиву.

Аналіз даних дозволяє зробити висновок, що в перетинах, розташованих у границь виробленого простору (рис. 8, перетин 1), значення деформацій скошування для діагональних і відповідних поздовжніх порушень практично збігаються. У перетинах близьких до головних перетинів мульди зрушення (рис. 8, перетини 2, 3), деформації скошування для діагонального порушення в 2 ? 9 разів перевищують деформації при підробці поздовжнього (поперечного) порушення. Отже для поверхневих будівель і споруд, які розташовані у центрі проекції виробленого простору на земну поверхню, більш небезпечним є діагональний вид порушення.

Встановлені закономірності дозволяють раціонально планувати розвиток гірничих робіт з метою зниження шкідливого впливу порушеної зони та підвищити надійність вибору мір охорони об'єктів земної поверхні. Результати роботи можуть бути використані у нормативно-методичних документах, що регламентують питання виїмки запасів під забудованими територіями, а також умови будівництва на вугленосних площах.

ВИСНОВОК

У дисертації наведене нове вирішення актуальної наукової задачі, що полягає у встановленні закономірностей деформування земної поверхні по всій площі мульди зрушення при підробці розривів пологими вугільними пластами, на базі тримірного математичного моделювання методом скінченних елементів процесу зрушення для захисту поверхневих об'єктів шляхом підвищення надійності прогнозування зрушень і деформацій.

Основні висновки, наукові і практичні результати роботи полягають у наступному:

1. На базі МСЕ розроблена просторова математична модель зрушення, що враховує наявність розривних тектонічних порушень, форму лави та її орієнтацію щодо елементів залягання шару, яка дає задовільну збіжність з фактичними величинами, як у якісному, так і в кількісному відношенні (похибки не перевищують 10-20% для осідань і нахилів, 30-40% для горизонтальних зрушень і деформацій).

2. Дослідженнями встановлено, що близько 75% розривів є діагональними, тобто перетинають кілька різних зон впливу виробки.

3. За результатами дослідження впливу поздовжніх (поперечних) розривних тектонічних порушень на розвиток процесу зрушення при їх підробці пологими вугільними пластами встановлено, що в межах проекції границь виробленого простору на земну поверхню в перетинах, орієнтованих вхрест простягання порушення, характер розподілу зрушень і деформацій залишається подібним до розподілу у головному перетині мульди зрушення. Інша зона впливу виробки підкоряється закономірностям деформування непорушеного масиву.

4. Вперше встановлено, що вплив тектонічного порушення на характер розподілу деформацій у перетинах паралельних виходу розриву під наноси полягає в тому, що графіки зрушень і деформацій залишаються подібними до непорушеного масиву, але максимальні значення деформацій пасивного крила зменшуються, а активного – зростають приблизно в 1.5?3 рази.

5. Зона інтенсивного впливу тектонічного порушення має форму витягнутого еліпса і розташована над виходом порушення під наноси.

6. Встановлені зони впливу тектонічного порушення в перетинах уздовж і поперек порушення. Отримано коефіцієнти впливу порушення, що дозволяють прогнозувати за даними плоскої задачі (головного перетину мульди зрушення) характер розподілу зрушень і деформацій у будь-якому паралельному перетині, не прибігаючи до рішення просторової задачі.

7. Встановлено, що якісна картина впливу діагональних розривних тектонічних порушень на характер розвитку процесу зрушення в перетинах паралельних головним, підкоряться закономірностям і залежностям для відповідних поздовжніх (поперечних) порушень. При цьому максимальні значення осідань, нахилів відрізняються незначно (до 10%), а значення горизонтальних зрушень і деформацій розбігаються приблизно в 1.5?2 рази.

8. Встановлено характер розподілу скошування земної поверхні по площі мульди зрушення для непорушеного масиву: у цьому випадку спостерігається чотири зони максимального скошування: дві негативних і дві позитивних, присвячені до кутів проекції виробленого простору на земну поверхню. Абсолютні значення максимумів скошування в зонах рівні, а знаки збігаються для діагонально протилежних вершин. По головних перетинах мульди зрушення проходять ізолінії з нульовими скошуваннями.

9. Вперше встановлено, що біля виходу тектонічного порушення під наноси розташовані зони підвищеного негативного і позитивного скошування земної поверхні, що мають форму еліпсів, витягнутих уздовж зміщувача, у яких максимальні значення перевищують в 2?6 разів відповідні величини для непорушеного масиву.

10. Встановлені зони і коефіцієнти впливу порушення дозволяють враховувати вплив розриву тільки в межах границь виробленого простору (що істотно зменшує розміри зони небезпечного впливу розриву) та знизити витрати на прогнозування деформацій по всій площі мульди зрушення за даними головного перетину.

11. Встановлені залежності дозволяють раціонально планувати розвиток гірничих робіт з метою зниження шкідливого впливу порушеної зони, підвищити надійність вибору мір охорони об'єктів земної поверхні, більш надійно прогнозувати місце розташування виходу тектонічного порушення під наноси.

12. Результати роботи можуть бути використані у нормативно-методичних документах, що регламентують питання виїмки запасів під забудованими територіями, а також умови будівництва на вугленосних площах.

Основні положення дисертації опубліковані у роботах:

1. Гавриленко Ю.Н., Петрушин А.Г. Численное моделирование процессов сдвижения массива горных пород и земной поверхности методом конечных элементов в объемной постановке Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр., выпуск . – Донецк: ООО “Лебедь”. – . – С.  – 25.

2. Гавриленко Ю.Н., Петрушин А.Г. Мульда сдвижения при подработке продольных и поперечных разрывных тектонических нарушений пологими угольными пластами // Проблеми гірського тиску: Зб. наук. пр. №7. – Донецк: ДонНТУ. – 2002. – С. 175 – 190.

3. Мирный В.В., Петрушин А.Г. Автоматизированное построение предохранительных целиков при плоскостной форме пласта методом моделирования охранного массива // Зб. наук. пр. ДонДТУ. Серія гірничо-геологічна, випуск 11. – Донецьк: ДонДТУ. – 2000. – С. 62 – 66.

4. Мирный В.В., Петрушин А.Г. Построение предохранительного целика в тектонически нарушенной зоне методом моделирования // Сб. науч. тр. НГА Украины № 9, том 2. – Днепропетровск: РИК НГА Украины. – 2000. – С. 203 – 206.

5. Петрушин А.Г. Исследование ориентирования разрывных тектонических нарушений относительно простирания угольных пластов // Проблеми гірського тиску. Зб. наук. пр. № 8. – Донецк: ДонНТУ. – 2002. – С. – 30.

Особистий внесок автора в роботах, опублікованих у співавторстві:

[1, ] – розробка методики математичного моделювання процесу зрушення методом скінченних елементів у просторовій постановці задачі для умов відробки пологих вугільних пластів та наявності розривних тектонічних порушень; обґрунтування деформаційних параметрів основних структурних елементів масиву гірських порід; розробка алгоритму формування системи вузлових точок і програмного забезпечення, що реалізує тримірну математичну модель зрушення; підготовка розрахункових схем і проведення обчислювальних експериментів; аналіз і узагальнення отриманих результатів.

[3, ] – розробка методики моделювання охоронного масиву; розробка програмного забезпечення, що реалізує модель; аналіз і узагальнення результатів.

АНОТАЦІЯ

Петрушин О.Г. Зрушення та деформації земної поверхні при підробці тектонічних порушень пологими вугільними пластами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.01 - "Маркшейдерія" - Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2003.

Дисертація присвячена дослідженню характеру впливу розривних тектонічних порушень при їх підробці пологими вугільними пластами на розподіл деформацій по площі мульди зрушення з метою встановлення основних закономірностей просторового деформування земної поверхні та підвищення надійності охорони об’єктів, що на ній знаходяться, від шкідливого впливу гірничих робіт.

Проведені дослідження дозволяють виділити наступні залежності:

- приблизно в межах границь виробленого простору для перетинів, які розташовані вхрест простягання порушення, характер розподілу зрушень та деформацій подібний розподілу у головному перетині мульди зрушення;

- порушення змінює величини деформацій у перетинах, орієнтованих уздовж зміщувача: в активному крилі збільшує, а в пасивному зменшує в 1.5-3 рази в порівнянні з непорушеним масивом;

- біля виходу тектонічного порушення під наноси розташовані зони підвищеного скошування земної поверхні.

Ключові слова: метод скінченних елементів, осідання, нахили, горизонтальні зрушення та деформації, скошування, порушення.

АННОТАЦИЯ

Петрушин А.Г. Сдвижения и деформации земной поверхности при подработке тектонических нарушений пологими угольными пластами. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.01 – “Маркшейдерия” – Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2003.

Диссертация посвящена исследованию характера распределения сдвижений и деформаций земной поверхности в пределах всей мульды сдвижения при подработке разрывных тектонических нарушений пологими угольными пластами с целью повышения надежности защиты охраняемых объектов.

На базе МКЭ была разработана объемная математическая модель процесса сдвижения, описывающая геометрические и деформационные соотношения основных структурных элементов нарушенного массива. Модель массива горных пород позволяет обособленно и целенаправленно изменять основные влияющие факторы структурных элементов (угол падения и простирания, мощность и т.д.), что дает возможность оценить характер и степень влияния того или иного параметра на процесс сдвижения. Методика исследований заключалась в сравнении результатов моделирования сдвижений тектонически нарушенного и ненарушенного массивов и выявлении аномалий в распределении деформаций, привносимых дизъюнктивом. Целенаправленный анализ данных натурных маркшейдерских наблюдений на базе установленных закономерностей позволил получить практическое подтверждение полученных зависимостей.

На основании проведенных исследований были получены следующие выводы:

- сдвижения и деформации земной поверхности, полученные по результатам пространственного математического моделирования, имеют удовлетворительную сходимость с фактическими измеренными величинами, как в качественном, так и в количественном отношении (погрешность не превышает 10%-20% для оседаний и наклонов, 30-40% для горизонтальных сдвижений и деформаций);

- исследованиями установлено, что примерно 75% всех тектонических нарушений являются диагональными, т.е. пересекают несколько различных зон влияния выработки;

- в зоне влияния выработки для сечений расположенных вкрест простирания нарушения выявлены три зоны, отличающиеся степенью влияния тектонического нарушения на сдвижения и деформации земной поверхности: зона максимального влияния нарушения, в которой изменения сдвижений и деформаций по отношению к деформациям ненарушенного массива равны между собой и максимальны; переходная зона влияния нарушения, в