Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

бабій Катерина Василівна

УДК [622.834:622.23.01/.02](043.3)

ВЗАЄМОЗВ'ЯЗок ПАРАМЕТРІВ ПРОЦЕСУ ЗрУшЕННЯ

І параметрів ОЧИСНої ВИЇМки

ПОЛОЖИСТИХ вугільних пластів

Спеціальність 05.15.01 – “Маркшейдерія”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у відділі геомеханічних основ технології розробки родовищ в Інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України (м. Дніпропетровськ)

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Четверик Михайло Сергійович,

завідувач відділу геомеханічних основ технології розробки родовищ Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України

(м. Дніпропетровськ)

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент

Назаренко Валентин Олексійович,

професор кафедри маркшейдерії Національного гірничого університету Міністерства освіти та науки України

(м. Дніпропетровськ)

кандидат технічних наук

Куклін Володимир Юрійович,

директор шахти – голова правління ДВАТ “ш. ім. Героїв Космосу” державної холдингової компанії “Павлоградвугілля” Міністерства палива та енергетики України (м. Павлоград)

Провідна установа: Криворізький державний технічний університет, кафедра маркшейдерії Міністерства освіти та науки України

Захист відбудеться “28” жовтня 2005р. о 13.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 при Національному гірничому університеті за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19.

Автореферат розісланий “28” вересня 2005р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

канд. техн. наук, доцент О.В. Солодянкін

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Основним напрямком досягнення ефективного видобутку вугілля є підвищення навантаження на очисні вибої, головним чином, за рахунок збільшення швидкості їх посування. Швидкість посування очисного вибою впливає на характер обвалення покрівлі, деформаційні процеси, що відбуваються в підробленому гірському масиві, і інтенсивність процесу зрушення земної поверхні. Для умов посування очисного вибою до 100 м/міс і глибини розробки до 600 м взаємозв'язок між параметрами цих процесів визначений емпіричними залежностями. На їх підставі розроблені нормативні документи для охорони будинків, споруджень і природних об'єктів, а також на проведення очисних робіт.

В теперішній час інтенсивна виїмка вугілля відбувається на глибинах 600-1300 м при швидкості посування вибоїв понад 100 м/міс із застосуванням механізованих комплексів. Це призвело до невідповідності методик розрахунку параметрів процесу зрушення гірничо-геологічним умовам і сучасним технологічним параметрам. У цих умовах натурні спостереження за зрушенням земної поверхні практично не проводилися, що обмежує можливість вирішувати технологічні задачі. Тому необхідність досліджень взаємозв'язку параметрів процесу зрушення масиву гірських порід і параметрів очисної виїмки виходячи із сутності геомеханічних процесів, що відбуваються в гірському масиві при інтенсивній виїмці вугілля, є актуальною науково-прикладною задачею і має важливе народногосподарське значення.

Зв'язок теми дисертації з науковими програмами, планами, темами. Дисертація є підсумковою роботою досліджень автора. Матеріали дисертації зв'язані з науково-дослідними роботами ІГТМ ім. М.С. Полякова НАН України. Дослідження виконані в рамках науково-технічної теми "Теоретичні основи зрушення масиву гірських порід і керування деформаційними процесами при підземній виїмці вугілля" (№0103U004307), а також науково-дослідних робіт "Розробка програми екологічної реабілітації гірничодобувного регіону Західний Донбас", "Розробка програми екологічної реабілітації гірничодобувного Нікополь-Марганецького регіону".

Метою роботи є встановлення впливу швидкості посування очисного вибою на інтенсивність процесу зрушення масиву гірських порід для розрахунку параметрів зрушення земної поверхні.

Основна ідея роботи полягає у використанні взаємозв'язку між швидкістю розвитку деформацій за площиною зрушення в масиві, що підробляється, і швидкістю посування очисного вибою для визначення параметрів процесу зрушення земної поверхні.

В роботі були поставлені і вирішені основні задачі дослідження:

- визначення швидкості розвитку деформацій за площиною зрушення в динамічній мульді зрушення в породах різного ступеня метаморфізму;

- установлення взаємозв'язку параметрів процесу зрушення масиву гірських порід, що підробляється, і параметрів очисної виїмки;

- розробка методики розрахунку тривалості процесу зрушення земної поверхні;

- дослідження впливу швидкості посування очисного вибою на розвиток деформацій у масиві, що підробляється.

Об'єкт досліджень - земна поверхня і масив гірських порід, що підробляється, при підземній виїмці вугілля.

Предмет досліджень - параметри процесу зрушення масиву гірських порід і земної поверхні при виїмці положистих вугільних пластів.

Методи досліджень включають аналіз науково-технічних досягнень з питань зрушення підробленого масиву гірських порід; метод натурних маркшейдерських інструментальних спостережень за зрушенням земної поверхні й обробка результатів експериментів з використанням методів комп'ютерного моделювання і математичної статистики.

Наукові положення, що захищаються в дисертації:

- середня швидкість розвитку деформацій розтягнення за площиною зрушення визначається відношенням глибини розробки очисної виїмки до тривалості деформацій розтягнень земної поверхні в активній стадії розвитку динамічної мульди зрушення і складає для порід слабкого ступеня метаморфізму 6-10 м/добу; середнього ступеня - 10-15 м/добу; високого ступеня - 15-20 м/добу, що дозволяє прогнозувати водопритоки з покрівлі у вироблений простір і очисний вибій при його переміщенні.

- тривалість процесу зрушення земної поверхні пропорційна відношенню довжини двох кроків обвалення основної покрівлі до швидкості посування очисного вибою, що визначає тривалість розвитку деформацій розтягнень в масиві, який підробляється, що дозволяє визначити тривалість процесу зрушення земної поверхні з урахуванням швидкості посування очисного вибою і тривалості розвитку деформацій розтягнень і їх зміни деформаціями стиснення в масиві.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- уперше визначена швидкість розвитку деформацій за площиною зрушення в породах різного ступеня метаморфізму на основі закономірності розвитку деформацій розтягнень у динамічній мульді зрушення на земній поверхні;

- установлені нові залежності визначення параметрів процесу зрушення: максимальне осідання, швидкість осідання земної поверхні і кут нахилу площини зрушення масиву гірських порід, який підробляється, що дозволяє враховувати вплив глибини розробки і ступінь метаморфізму товщі порід;

- уперше визначена тривалість розвитку деформацій розтягнень у підробленому гірському масиві і її зміна деформаціями стиснення, що визначається відношенням довжини двох кроків обвалення основної покрівлі до швидкості посування очисного вибою;

- вперше встановлений взаємозв'язок між швидкістю посування очисного вибою і швидкістю розвитку деформацій за площиною зрушення в масиві, який підробляється, що відтворює розвиток деформаційних процесів над вибоєм, який посувається.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

- розроблена методика розрахунку тривалості процесу зрушення земної поверхні, яка заснована на взаємозв'язку параметрів процесу зрушення масиву гірських порід і параметрів очисної виїмки, що враховує відрив і осідання блоків основної покрівлі (у т.р. комп'ютерний варіант);

- установлена залежність мінімальних швидкостей посування очисного вибою для зменшення водопритоків у вироблений простір з покрівлі виробки;

- розроблені методичні вказівки для виконання лабораторної роботи зі спеціальності "Маркшейдерська справа" для студентів спеціальності 7.090301;

- розроблені рекомендації з розрахунку параметрів процесу зрушення, деформацій кріплення виробок і швидкості посування очисного вибою для проектних організацій.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій, сформульованих у дисертації, підтверджується використанням апробованих методів дослідження, задовільною збіжністю розрахункових і експериментальних даних за тимчасовим фактором: середнє відхилення тривалості процесу зрушення земної поверхні для шахт Західного Донбасу склало 17,7%; Львівсько-Волинського басейну - 12,5%; Донецько-Макіївського району - 5,5%.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно визначені мета, ідея, задачі, обрані методи досліджень, сформульовані наукові положення і висновки; проведені теоретичні й аналітичні дослідження, на підставі яких обґрунтований взаємозв'язок параметрів процесу зрушення і очисної виїмки. Автором розроблена методика розрахунку тривалості процесу зрушення і на її основі складена комп'ютерна програма обчислення параметрів процесу зрушення. Автор брала безпосередню участь у складанні методичних вказівок для студентів і рекомендацій для проектних організацій, як виконавець.

Апробація результатів дисертації. Основні положення й окремі результати роботи доповідалися й обговорювалися: на семінарі молодих учених ІГТМ ім. М.С. Полякова НАН України (Дніпропетровськ, 2002 р.); на І конференції молодих учених, присвяченої 25-річчю ІПКОН РАН (Москва, 2002 р.); на ІІ Міжнародній науково-практичній конференції по метану (Дніпропетровськ, 2001 р.); на Міжнародному симпозіумі "Тиждень гірника" (Москва, 2002 р.); на І-ій конференції молодих учених ІГТМ ім. М.С. Полякова НАН України (Дніпропетровськ, 2004 р.); на ІІ міжнародній науково-технічній конференції "Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості-2005" (Кривий Ріг, 2005 р.).

Робота відзначена премією Національної академії наук України для молодих учених (засідання Президіума НАН України від 06.04.2005).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковані 15 наукових праць, у тому числі 1 монографія, 10 статей у наукових фахових виданнях, 4 у збірниках матеріалів і тез конференцій, з них 3 статті самостійні.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів та висновків на 143 сторінках машинописного тексту, у т.р. 47 малюнків, 22 таблиць, списку використаних джерел зі 109 найменувань і 4 додатків. Загальний обсяг роботи склав 170 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ роботи

Розділ 1. Стан питання і задачі досліджень. Проведений аналіз стану вивчення питання взаємозв'язку параметрів процесу зрушення й очисної виїмки. Проаналізовані існуючі теорії, геомеханічні моделі і схеми зрушення масиву гірських порід і земної поверхні. Розглянуто переваги і недоліки існуючих теорій зрушення підробленого масиву гірських порід та гіпотез проявлення гірського тиску. Проведений аналіз аналітичних та емпіричних підходів до проблеми прогнозування зрушень і деформацій земної поверхні.

Визначено, що найбільш розповсюдженими є емпіричні методи дослідження і прогнозування деформацій підробленого масиву і земної поверхні. Відомі закономірності базуються на використанні емпіричних залежностей, параметри яких визначені результатами експериментальних лабораторних і натурних досліджень процесу зрушення гірських порід.

Значний внесок у розвиток цих досліджень внесли вчені і фахівці маркшейдерії та гірничої справи інститутів УкрНДМІ, ВНДМІ, НГУ, ІГТМ НАНУ, ДНТУ, КТУ, ІГД ім. А.А. Скочинського, С-ПГГІ й ін.

Підвищення навантаження на очисні вибої здійснюється, головним чином, за рахунок збільшення швидкості їх посування, що безпосередньо впливає на деформаційні процеси в гірському масиві і тривалість процесу зрушення земної поверхні. Взаємозв'язок швидкості посування вибою з параметрами процесу зрушення встановлено багатьма дослідниками через емпіричні залежності для конкретних родовищ, що обмежує область їх виконання конкретними умовами експлуатації. У цьому зв'язку виникає необхідність установлення взаємозв'язку між параметрами процесу зрушення і параметрами очисної виїмки, не емпіричними залежностями, а виходячи із сутності геомеханічних процесів, що відбуваються в гірському масиві при інтенсивній виїмці вугілля.

Розділ 2. Дослідження залежності параметрів процесу зрушення від глибини розробки. Для встановлення взаємозв'язку між параметрами зрушення і параметрами очисної виїмки розроблена геомеханічна модель деформаційних процесів, що виникають у підробленому гірському масиві. Масив порід основної покрівлі очисного вибою зазнає розтягнень (перед опорним тиском), стиснень (опорний тиск), потім розтягнень з розривом суцільності порід і знову стиснень. У процесі посування вибою в масиві зони деформацій розтягнень змінюються на стиснення. На поверхні в динамічній напівмульді зрушення розтягнення змінюються стисненнями. Відстані між зонами розтягнення і стиснення у породах середнього ступеня метаморфізму складає 50-60 м, а у породах слабкого - 15-30 м. Це свідчить про утворення консольно обвислих блоків, у верхній частині яких, біля защемлення, виникають деформації розтягнень, а в нижній (зоні опорного тиску) - стиснень. Потім виникають деформації розтягнень, при обваленні блоку, і стиснень при їх осіданні. Зроблені висновки: а) деформації, що починаються у вибої і досягають поверхні, переміщуються в гірському масиві з швидкістю, яка відрізняється в породах різного ступеня метаморфізму; б) обвалення блоків відбувається під визначеним кутом - кутом нахилу площини зрушення; в) тривалість процесу зрушення складається з часу відриву блоків і часу їхнього осідання; г) величина і швидкість осідань масиву гірських порід і земної поверхні зі збільшенням глибини гірничих робіт зменшується; д) при розвитку деформаційних процесів у масиві розміри блоків збільшуються в напрямку від вибою до зони розшарування, а далі відбувається зрушення з плавним опусканням гірського масиву і земної поверхні.

При дослідженні залежності параметрів зрушення від глибини ведення гірничих робіт використовувалася теорія пошарового блокового зрушення масиву гірських порід, розроблена проф. М.С. Четвериком. Відповідно до цієї теорії в головному перерізі мульди зрушення аналітичний взаємозв'язок між векторами має вигляд

, , , (1)

де - осідання маси гірських порід блоку, мм; - горизонтальний зсув, мм; m - потужність пласта, що виймається, мм; q - коефіцієнт головного вектора зрушення, що враховує зрушення за рахунок виїмки пласта, зневоднювання і дегазації підробленого масиву.

Дослідженнями було встановлено, що зі збільшенням глибини розробки активність процесу зрушення, що спостерігається на поверхні, знижується. Використовуючи результати інструментальних вимірів за зрушенням земної поверхні, виконані різними дослідниками в районах з різним ступенем метаморфізму і при різній глибині розробки були встановлені залежності (рис. 1):

1,2,3 – при ступені метаморфізму порід, відповідно слабкого, середнього, високого

Рис. 1. Зміна коефіцієнта головного вектора зрушення в залежності від глибини розробки

; (2)

; (3)

, (4)

де qСЛ , qСР , qВС - коефіцієнти головного вектора зрушення для гірських порід відповідно слабкого, середнього і високого ступеня метаморфізму; Н – глибина розробки, м; R – коефіцієнт ймовірності.

Аналіз показує, що найбільш інтенсивно коефіцієнти головного вектора зрушення змінюються в інтервалі глибин 100-500 метрів. При подальшому збільшенні глибини розробки вони змінюються несуттєво. Однак їх значення значно відрізняються для порід різного ступеня метаморфізму.

На підставі даних інструментальних спостережень НГУ, УкрНДМІ, ДДТУ та ін. розглянута залежність швидкості осідань земної поверхні від таких факторів як глибина розробки, ступінь метаморфізму порід, швидкість посування очисного вибою, потужність пласта. Найбільш істотним фактором, при збільшенні якого швидкість осідань знижується, є глибина розробки (рис. 2).

Швидкість осідання земної поверхні і підробленого масиву залежить від фізико-механічних властивостей гірських порід, глибини розробки, схильності порід до ущільнення і визначається за формулою

Рис. 2. Зміна швидкості осідання земної поверхні в залежності від глибини розробки в породах слабкого ступеня метаморфізму

, (5)

де m – потужність пласта, що виймається, м; k - коефіцієнт, що враховує глибину розробки ; Vд – швидкість розвитку деформацій за площиною зрушення, м/добу; п - коефіцієнт, що враховує ступінь метаморфізму порід: для слабкого п = 1,8ч2,0; ?ереднього п =0,8ч1,8; ?исокого п=0,5ч0,8.

Для обґрунтування взаємозв'язку процесу зрушення і швидкості посування очисного вибою досліджена швидкість розвитку деформацій розтягнень у підробленому гірському масиві і кут нахилу площини зрушення. За кут нахилу площини зрушення масиву гірських порід, підробленого при виїмці вугілля, прийнято кут ?, утворений лінією, яка з'єднує середину генерального кроку обвалення основної покрівлі при початку очисної виїмки з точкою початку зрушення на поверхні і горизонтальною лінією. Він визначається за формулою

, град., (6)

де L – крок обвалення основної покрівлі (довжина блоку), м; LН – відстань від розрізної печі до очисного вибою, при якому починається процес обвалення основної покрівлі, м; ? – кут динамічної мульди зрушення, градус.

Таблица 1

Кут нахилу площини зрушення

Кут нахилу площини зрушення підробленого масиву гірських порідСтупінь метаморфізму масиву, що вме | слабкий | середній | високий | 66-69 | 63-66 | 53-60 | Оскільки деформації розтягнень поширюються від очисного вибою до поверхні не миттєво, а через визначений період часу, то їхню середню швидкість розвитку в гірському масиві можна визначити виходячи з результату інструментальних спостережень за зрушенням земної поверхні, виконаними НГУ, УкрНДМІ, ДДТУ та ін., що тривалість деформацій розтягнень у загальній тривалості процесу зрушення складає одну третину. З урахуванням цього фактору, а також глибини розробки і кута нахилу площини зрушення середня швидкість розвитку деформацій розтягнень у підробленому гірському масиві складає

м/добу, (7)

де Т – тривалість процесу зрушення, активна стадія, діб.

Використовуючи дані про тривалість процесу зрушень для різних вугільних родовищ, визначена середня швидкість розвитку деформацій розтягнень за площиною зрушення в гірському масиві. Для порід слабкого ступеня метаморфізму вона є Vд =6-10 м/добу, середньої Vд =10-15 м/добу, високої Vд =15-20 м/добу. Для порід середнього ступеня метаморфізму така ж швидкість розвитку деформацій у масиві отримана за результатами інструментальних спостережень, виконаними С.Б. Кулібабою.

Розділ 3. Дослідження взаємозв'язку параметрів процесу зрушення масиву гірських порід і параметрів очисної виїмки. При виїмці вугілля одночасно відбуваються два процеси: переміщується очисний вибій під блоком порід, який повинен зрушитись, і переміщується зона деформацій розтягнень за площиною зрушення, яка утворилася при обваленні попереднього блоку. Коли блок буде підроблено і він зрушиться, з'явиться нова зона деформацій розтягнень, а попередня буде замінятися зоною деформацій стиснення. Коли другий блок буде цілком підроблений, то попередня зона деформацій розтягнень у нижній частині блоку зміниться на деформації стиснення. Зміни деформацій розтягнень стисненнями експериментально зафіксовані багатьма дослідниками, але не було визначено їх залежності від параметрів очисної виїмки.

Запропоновано розрахунок тривалості зміни деформацій у масиві, який залежить від швидкості посування очисного вибою та кроку обвалення основної покрівлі (довжини блоку) і визначається виразом

, (8)

де V3 – швидкість посування очисного вибою, м/добу.

Ця залежність підтверджується експериментальними даними по ш. ім. Засядько про тривалість підвищеного і зниженого тиску газу перед очисним вибоєм для порід середнього ступеня метаморфізму. Тривалість зміни деформацій розтягнень стисненнями за (8) склала 40 діб, а експериментальна - 37.

Аналітичний взаємозв'язок між параметрами зрушення і очисними роботами зводиться до залежності між швидкістю посування очисного вибою і швидкістю розвитку деформацій за площиною зрушення. Час підробітку двох блоків - це тривалість зміни деформацій у масиві. Час необхідний для розвитку деформацій за площиною зрушення від виробленого простору до земної поверхні визначається виразом

. (9)

Однак тривалість розвитку деформацій розтягнення за площиною зрушення обмежена часом зміни деформацій в масиві, тобто часом підробітку двох блоків. Тому при вирішенні питань функціонування зони деформацій розтягнення необхідно розглянути умову

, (10)

з якої випливає, що

- якщо часу, протягом якого підробляються два блоки, досить для того, щоб зона деформацій розтягнень встигла розвитись по всій глибині розробки, то у цьому випадку зона розтягнень знаходиться деякий період часу над виробленим простором, тим самим, будучи провідником води і газу в очисний вибій;

- якщо навпаки, то деформації розтягнень встигають розвитись тільки до зони розшарувань і змінюються деформаціями стиснення.

На основі установленого взаємозв'язку параметрів процесу зрушення й очисних робіт розроблена методика розрахунку тривалості процесу зрушення підробленого масиву гірських порід і земної поверхні. Вона включає: початковий етап tН; час відриву блоку Tа, час його осідання Tо та загасання процесу зрушення tЗ. Загальна тривалість процесу зрушення

діб, (11)

Час відриву блоку визначається виходячи з умови (10). Якщо тривалість підробітку двох блоків більше, ніж час, який необхідно для розвитку зони деформацій розтягнень за площиною зрушення, яка доходить до поверхні, то в розрахунках приймається тривалість зміни деформації розтягнень стисненнями, тобто

якщо , то . (12)

Якщо час розвитку зони деформацій розтягнень за площиною зрушення більше, ніж тривалість зміни деформацій, то він і включається в розрахунок тривалості процесу зрушення:

якщо , то . (13)

Час осідання підробленого блоку порід визначається співвідношенням величини максимального осідання до середньої швидкості осідання земної поверхні (5). Максимальне осідання визначається за формулою (1), а коефіцієнт головного вектору зрушення обчислюється за формулами (2-4) у залежності від ступеня метаморфізму порід, тобто

, діб. (14)

Тоді в залежності від умови (10) і часу розвитку деформацій у масиві (12 чи 13) тривалість процесу зрушення складе

або . (15)

Проведено дослідження впливу основних параметрів зрушення й очисного вибою на тривалість процесу зрушення. Тривалість процесу зрушення прямо пропорційно залежить від потужності пласту, що виймається, і глибини розробки, та зворотно пропорційно залежить від швидкості розвитку деформацій у масиві, швидкості посування очисного вибою і кута падіння пласту. Найбільший вплив на тривалість процесу зрушення мають: глибина розробки (рис. 3) і швидкість посування очисного вибою (рис. 4).

1 - слабкий; 2 - середній; 3 - високий ступінь метаморфізму порід

Рис. 3. Зміна тривалості процесу зрушення в залежності від глибини розробки | 1 - слабкий; 2 - середній; 3 - високий ступінь метаморфізму порід

Рис. 4. Зміна тривалості процесу зрушення в залежності від швидкості посування очисного вибою |

Перехід гіпербол і парабол у горизонтальні лінії пояснюється тим, що в породах середнього і високого ступенів метаморфізму (при швидкості посування очисного вибою 3 м/добу і глибині розробці 450 м) переважає блокове зрушення. При збільшенні швидкості посування очисного вибою або глибині гірничих робіт відбувається плавне опускання масиву. У породах слабкого ступеня метаморфізму навіть при невеликих швидкостях посування очисного вибою і неглибоких горизонтах відбувається плавне опускання підробленого масиву гірських порід. Це підтверджується залежністю тривалості процесу зрушення від глибини розробки (рис. 3). З цього випливає, що зміна знаку і напрямку кривих середнього і високого ступенів метаморфізму пояснюється зміною умови підробітку (10).

Результати розрахунків тривалості процесу зрушення за розробленою методикою були зіставлені з інструментальними спостереженнями, отриманими на шахтах Західного Донбасу, Донецько-Макіївського району і Львівсько-Волинського басейну. Середнє відхилення між обчисленими за формулами (18-19) значеннями й інструментальними спостереженнями склало для Західного Донбасу 17,7 %, для Львівсько-Волинського басейну 12,5 %, Донецько-Макіївського району (ш. ім. Засядько) 5,5 %.

Розділ 4. Дослідження впливу параметрів зрушення й очисних робіт на технологічні умови виїмки вугілля. Розглянуто вплив співвідношення параметрів зрушення масиву гірських порід і очисних робіт на технологічні умови виїмки вугілля: тривалість перебування зони деформацій розтягнення над виробленим простором, обводнення очисних вибоїв і шахт, місць розташування зони розшарувань, ступінь обвалення покрівлі в лавах. Технологічні умови виїмки вугілля залежать від того, де і коли відбувається зміна деформацій розтягнень стисненнями.

Ґрунтуючись на геомеханічну модель пошарового блокового обвалення, встановлено, що тривалість посування очисного вибою під двома блоками, що зрушуються, може бути більше, ніж час розвитку деформацій між поверхнею й очисним вибоєм за площиною зрушення. Тому, при малій швидкості посування очисного вибою і неглибоких шахтах, зона деформацій розтягнень може знаходитися якийсь час над виробленим простором. Цей час можна визначити при порівнянні тривалості процесів посування очисних вибоїв і розвитку деформацій розтягнень у масиві. Відповідно до формул (8) і (9) вираз має вид

, діб. (16)

Час перебування зони деформацій розтягнень над виробленим простором залежить від ступеня метаморфізму порід (кроку обвалення основної покрівлі), глибини розробки, швидкості посування вибою, швидкості розвитку деформацій за площиною зрушення (рис. 5).

1 - високий; 2 - середній; 3 - слабкий ступінь метаморфізму порід.

Рис. 5. Час перебування зони деформацій розтягнень над виробленим простором

З приведених залежностей випливає: а) чим вище ступінь метаморфізму порід, тим більш тривалий період буде знаходитись зона деформацій розтягнень над виробленим простором; б) чим менше глибина підробки, тим повинна бути більше швидкість посування очисної виїмки.

Отже, якщо тривалість зміни деформацій у масиві більше, ніж час розвитку деформацій розтягнень за площиною зрушення, то зона деформацій розтягнень знаходиться деякий проміжок часу над виробленим простором, рівний різниці цих процесів. У випадку великих швидкостей посування очисного вибою чи виконання очисних робіт на глибоких горизонтах, деформації в масиві змінюються швидше, ніж необхідно часу для розвитку деформаційних процесів за площиною зрушення. Висота (від ґрунту пласта), до якої може розвитися зона деформацій розтягнення, не переходячи в зону стиснення, визначається

, м. (17)

При підробці водних об'єктів у зв'язку з підвищенням водопритоків ускладнюється робота всієї шахти, крім того, можливе проникнення в гірничі виробки розчинених у воді шкідливих речовин. Одним з основних провідників води в очисні виробки є зони деформацій розтягнень динамічної і статичної мульд зрушення.

У роботі розглянуто вплив зрушення масиву гірських порід на обводнення шахт Західного Донбасу. Для встановлення причин водопритоків і їх особливостей, поля діючих шахт були згруповані двома смугами по простяганню вугільних пластів, що між собою розділені великими тектонічними порушеннями (табл. 2). Цей поділ шахт дозволяє враховувати зміну ступеня метаморфізму порід і глибину розробки.

Таблиця 2

Водопритоки по шахтах Західного Донбасу

Частина вугільних пластів, що повстає | Уклонна частина вугільних пластів

Глибини відпрацьовування до 260 м | Глибини відпрацьовування до 800 м

Номер послідовності шахт | Найменування шахт (із заходу на схід) | Водопритоки,

м3/год. | Водопритоки, м3/год. | Найменування шахт (із заходу на схід) | Номер послідовності шахт

1 | Благодатна | 242 | 42 | ім. Г. Космоса | 1

2 | Павлоградська | 239 | ЦОФ | 2

3 | Терновська | 292 | 44 | Зап.-Донбаська | 3

4 | Самарська | 423 | 172 | Днепровська | 4

5 | ім. Сташкова | 1424 | 914 | Степна | 5

6 | Першотравнева | 545 | 851 | Ювілейна | 6

Аналізуючи водопритоки шахт, відмічені дві особливості. Перша полягає в тому, що водопритоки по шахтах як першої, так і другої смуги збільшуються з заходу на схід, тобто відповідно збільшенню перетинання основного потоку підземних вод. Друга особливість полягає в тому що шахти, які розроблюють вугільні пласти на більшій глибині (уклонна частина - північна смуга) мають менші водопритоки, чим ті, що розташовані в південній смузі. Це обумовлено тим, що при великій глибині розробки зона деформацій розтягнень знаходиться менший час над очисним вибоєм.

Із аналізу залежностей рис. 5 і приведених водопритоків по шахтам слідує, що для боротьби з водопритоками у вироблений простір, крім визначення безпечної глибини розробки, можна обчислювати оптимальну швидкість посування очисного вибою, при якій зона деформацій розтягнень не встигає розвитися за площиною зрушення до водоносного горизонту. Цю швидкість можна визначити виходячи з рівності часу ТЗ підробки вибоєм двох блоків і часу tт досягнення зоною деформацій розтягнень водоносного горизонту. З залежності від наявності вихідних даних формула має вид

або , (18)

де і - кути зрушення гірських порід у наносах і карбоні.

Встановлено взаємозв'язок між периметром зон деформацій розтягнень, що збільшується, у процесі експлуатації шахти і щорічним збільшенням загальношахтних водопритоків. Це обумовлено тим, що в процесі виїмки вугілля утворюються і постійно розкриті зони деформацій розтягнень статичної мульди зрушення:

- з боків очисного стовпа, якщо він граничить з непорушеним масивом;

- при зупинці очисного вибою біля технічної границі чи ціликів.

Для виключення водопритоків із зон розтягнень динамічної мульди зрушення необхідно збільшувати швидкості посування очисних вибоїв, що можуть бути встановлені для конкретних умов. Тоді як довжина периметра постійної зони розтягнень статичної мульди зрушення повинна враховуватися при прогнозуванні загальношахтних водопритоків.

Установлена залежність стійкості безпосередньої покрівлі від швидкості посування очисного вибою, яка полягає в тому, що при збільшенні швидкості посування не тільки знижується надходження води в робочий простір, але і підвищується стійкість покрівлі очисних виробок. Стан покрівлі очисних вибоїв оцінюють за ступенем обвалення покрівлі (сума довжин вивалів до загальної довжини вибою). Аналіз залежностей показника ступеня обвалення покрівлі від швидкості посування очисного вибою на шахтах Західного Донбасу показав, що при збільшенні швидкості посування зменшується ступінь обвалення; чим далі на схід розташоване шахтне поле і вище ступінь метаморфізму, тим менше ступінь обвалення покрівлі.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, у якій на основі вперше встановлених закономірностей тривалості розвитку деформацій розтягнень та їх зміни деформаціями стиснень отримано нове рішення актуальної науково-прикладної задачі встановлення впливу швидкості посування очисного вибою на інтенсивність процесу зрушення масиву гірських порід для розрахунку параметрів зрушення земної поверхні, що має важливе значення для вуглевидобувної промисловості.

Основні наукові і практичні результати полягають у наступному:

1. Визначена середня швидкість розвитку деформацій розтягнень за площиною зрушення, яка рівна відношенню глибини розробки до тривалості деформацій розтягнень у горизонтальній площині в динамічній мульді зрушення активної стадії, що складає одну третину від загального процесу. Для порід слабкого ступеня метаморфізму швидкість розвитку деформацій розтягнення за площиною зрушення складає Vд = 6-10 м/добу, для середньої - Vд = 10-15 м/добу, для високої - Vд = 15-20 м/добу.

2. Установлена тривалість розвитку зони деформацій розтягнення і зміни її деформаціями стиснення в масиві гірських порід, що підробляється, яка визначається відношенням: два кроки обвалення основної покрівлі до швидкості посування очисного вибою.

3. Вперше встановлений аналітичний взаємозв'язок між процесами зрушення й очисних робіт, який заключається в тім, що тривалість розвитку деформацій розтягнення за площиною зрушень обмежується часом зміни деформацій у масиві.

4. Установлено, що тривалість процесу зрушення залежить від співвідношення часу зміни деформацій у масиві і часу розвитку деформацій від очисного вибою до земної поверхні. Якщо тривалість зміни деформацій у масиві більше, ніж тривалість розвитку деформацій за площиною зрушення, то загальна тривалість процесу зрушення земної поверхні включає тривалість зміни деформацій розтягнень стисненнями й осідання підробленої товщі. Якщо менше, то загальна тривалість процесу зрушення складається з часу поширення деформацій у масиві й осідання підробленої товщі.

5. Установлені нові залежності параметрів процесу зрушення: максимального осідання і швидкості осідання земної поверхні від глибини розробки в породах різного ступеня метаморфізму.

6. Визначений кут нахилу площини зрушення, що відображає нахил площини розвитку деформаційних процесів у підробленій товщі гірських порід у головному перерізі мульди зрушення в напрямку руху очисного вибою і дорівнює для порід слабкого ступеня метаморфізму 66-69°, середнього 63-66°, високого 53-60°, та відрізняється від динамічного кута, який вказує тільки на границю зони впливу очисних робіт.

7. Аналіз встановленого взаємозв'язку між параметрами процесу зрушення й очисної виїмки показав, що якщо тривалість зміни деформацій у масиві більше часу розвитку деформацій за площиною зрушення, то зона розтягнень знаходиться над виробленим простором відповідно різниці тривалості цих процесів. Якщо менше, то деформації розтягнень поширюються від очисного вибою до зони розшарувань, що дозволяє визначити висоту розташування зони розшарувань над виробленим простором.

8. Установлено, що одним із провідників води у вироблений простір є зони деформацій розтягнень динамічної і статичної мульд зрушення. Визначена залежність тривалості перебування зони деформацій розтягнень над виробленим простором від швидкості посування очисного вибою та ступеня метаморфізму гірських порід.

Наукові результати і положення дисертації опубліковані в 15 наукових працях, головними з яких є наступні:

1. Четверик М.С., Андрощук Е.В. Теория сдвижения массива горных пород и управления деформационными процессами при подземной выемке угля. Днепропетровск: РИА “Днепр-val”, 2004.- 148 с.

2. Четверик М.С., Анциферов А.В., Пимоненко Л.И., Андрощук Е.В. Сдвижение горного массива и геофильтрационные процессы при выемке угля в Западном Донбассе. // Геотехническая механика. Межвед. сб. научн. трудов.- Днепропетровск:- 2001.- вып. 26. - С. 38-43.

3. Андрощук Е.В. Влияние зон растяжений при сдвижении пород на водопритоки в шахты // Сб. научн. тр. Национального горного университета Украины.- Днепропетровск:- 2002.- № 15, том 1.- С. 63-68.

4. Четверик М.С., Андрощук Е.В., Бубнова Е.А., Гаврюк Г.Ф. Сдвижение массива горных пород и влияние скорости подвигания очистного забоя на выделение метана // Сб. науч. тр. НГУ.- Днепропетровск:- 2003.- вып. 16.- С.42-53.

5. Четверик М.С., Бабий Е.В. Зависимость продолжительности процесса сдвижения от скорости развития деформаций в массиве и скорости подвигания очистного забоя // Матеріали конференції „Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості” Вісник Криворізького технічного університету. Збірник наукових праць.- Кривий Ріг: - 2005.- № 8.- С. 57-61.

6. Бабий Е.В. Методика расчета продолжительности процесса сдвижения земной поверхности // Материалы II конференции молодых ученых ИГТМ НАН Украины (23 ноября 2004г. Днепропетровск) Геотехническая механика. Межвед. сб. научн. трудов.- Днепропетровск:- 2005.- № 55.- С. 112-118.

Особистий внесок здобувача в роботах написаних у співавторстві: [1] обробка та аналіз результатів інструментальних спостережень та встановлення закономірностей параметрів процесу зрушення земної поверхні від глибини розробки; [2] визначена зона деформацій розтягнень як провідник води з покрівлі вироблення; [4,5] встановлений взаємозв'язок між швидкістю переміщення очисного вибою і швидкістю розвитку деформацій за площиною зрушення.

АНОТАЦІЯ

Бабій К.В. Взаємозв'язок параметрів процесу зрушення і параметрів очисної виїмки положистих вугільних пластів. Дисертація на здобуття ученого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.01 - "Маркшейдерія", Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАНУ, Дніпропетровськ, 2005.

Захищається встановлений аналітичний взаємозв'язок між параметрами процесу зрушення масиву гірських порід і параметрами очисної виїмки. Досліджені нові залежності параметрів процесу зрушення від глибини розробки. Визначена середня швидкість розвитку деформацій розтягнень за площиною зрушення для порід різного ступеня метаморфізму. Визначена тривалість розвитку деформацій розтягнень і її зміна деформаціями стиснення, яка залежить від кроку обвалення основної покрівлі і швидкості посування очисного вибою.

Розроблена методика розрахунку тривалості процесу зрушення масиву гірських порід і земної поверхні. На її основі складені методичні вказівки для виконання лабораторної роботи зі спеціальності "Маркшейдерська справа" для студентів.

Виведена аналітична залежність визначення швидкості посування очисного вибою при якій зона деформацій розтягнення не досягає водоносного горизонту. Розроблені рекомендації для проектних організацій з розрахунку параметрів процесу зрушення у взаємозв'язку зі швидкістю розвитку деформацій у масиві і швидкістю посування очисного вибою.

Ключові слова: масив гірських порід, динамічна мульда зрушення, зони розтягнення і стиснення, швидкість розвитку деформацій за площиною зрушення, швидкість посування очисного вибою.

АННОТАЦИЯ

Бабий Е.В. Взаимосвязь параметров процесса сдвижения и параметров очистной выемки пологих угольных пластов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.01 – “Маркшейдерия”, Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины, Днепропетровск, 2005.

Защищается установленная аналитическая взаимосвязь между параметрами процесса сдвижения подрабатываемого массива горных пород и параметрами очистной выемки пологих угольных пластов. В основу которой положена впервые установленная зависимость продолжительности развития деформаций растяжения в массиве и ее смены деформациями сжатия от интенсивности перемещения лавы и степени метаморфизма вмещающих пород, и определяется отношением двух шагов обрушения основной кровли к скорости подвигания очистного забоя.

Установленная взаимосвязь между параметрами процесса сдвижения и очистной выемки позволяет путем сопоставления продолжительности смены деформаций в массиве и времени развития деформаций по плоскости сдвижения определить продолжительность нахождения зоны деформаций растяжений над выработанным пространством и высоту расположения зоны расслоений в подработанном массиве горных пород.

Установлены новые зависимости определения параметров процесса сдвижения от глубины разработки и степени метаморфизма вмещающей толщи. Определена средняя скорость развития деформаций растяжений по плоскости сдвижения для пород разной степени метаморфизма, которая составляет для пород слабой степени метаморфизма Vд = 6-10 м/сутки, для средней - Vд = 10-15 м/сутки, для высокой - Vд = 15-20 м/сутки.

Разработана методика расчета продолжительности процесса сдвижения подрабатываемого массива горных пород и земной поверхности на основе теории послойного блочного сдвижения, которая учитывает отрыв и оседание послойно блоков кровли. Методика расчета позволяет рассчитать продолжительности оседания земной поверхности и этапов деформирования подрабатываемого массива горных пород, определить параметры процесса сдвижения.

Установлено, что одним из проводников воды в выработанное пространство являются зоны деформаций растяжений динамической и статической мульд сдвижения. Для исключения водопритоков из зон растяжений динамической мульды сдвижения необходимо увеличивать скорости подвигания очистных забоев, тогда как протяженность периметра зоны растяжений статической мульды сдвижения должна учитываться при прогнозировании обще шахтных водопритоков. Выведена аналитическая зависимость по определению скорости подвигания очистного забоя, при которой зона деформаций растяжения не достигает водоносного горизонта. Разработаны рекомендации для проектных организаций по расчету параметров процесса сдвижения во взаимосвязи со скоростью развития деформаций в массиве и скоростью перемещения очистного забоя.

На основе научных и практических результатов диссертационной работы составлены рекомендации по расчету параметров процесса сдвижения (переданы в ОАО “Павлоградуголь” и ГОАО “Днепрогипрошахт”) и методические указания для студентов по специальности “Маркшейдерское дело” в НГУ.

Ключевые слова: массив горных пород, динамическая мульда сдвижения, зоны растяжений и сжатий, скорость развития деформаций по плоскости сдвижения, скорость подвигания очистного забоя.

ANNOTATION

Babiy K.V. Subsidence process parameter relationships for plane coalseam second working. The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science in 05.15.01 - "“Mine surveying" speciality. Institute of geotechnical mechanics NAS of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2005.

The paper is devoted to subsidence process parameter relationships investigation for plane coalseam second working. Depth parameter influence on new subsidence process parameter relationships are obtained. Different metamorphism extent influence on average tensile deformations velocity along plane subsidence have investigated. Tensile – compress endurance phase sequance are investigated. Thereto, main roof-caving increment and advance stope rate is determined.

The method of