Обоснование параметров сдвижения земной поверхности при ее многократной подработке в условиях подземной разработки угольных пластов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.16, кандидат технических наук Тетерин, Андрей Валентинович

• Тетерин, Андрей Валентинович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тетерин, Андрей Валентинович

Введение.

1. Обобщение исследований по Шахтинскому угольному району.

1.1. Основные сведения по району.

1.2. Горно-геологическая характеристика Шахтинского угольного района.

1.3. Результаты инструментальных измерений на станциях по наблюдению за сдвижением земной поверхности.

2. Объекты и методы исследований.

2.1. Расчет сдвижений и деформаций земной поверхности над горными выработками по правилам охраны 1998 года.

2.2. Актуальность проблемы и задачи исследований.

2.3. Выбор методологического аппарата для определения параметров процесса сдвижения.

3. Определение параметров процесса сдвижения с использованием новых геометрических элементов мульды.

3.1. Новые геометрические зависимости в мульде сдвижения.

3.2. Расчет границы влияния горных работ на земную поверхность.

3.2.1. Выбор граничного критерия.

3.2.2. Определение точек ожидаемого минимального и нулевого оседаний 45 t 3.2.3. Зависимость единичных кривых оседаний от коэффициентов подработанности.

3.3. Граничные углы.

3.4. Углы полных сдвижений и максимального оседания.

3.5. Углы сдвижения.

3.6. Определение величины максимального оседания.

3.6.1. Определение величины относительного максимального оседания.

3.6.2. Расчет коэффициента подработанности. 3.6.3. Влияние угла падения пласта на оседание.

3.6.4. Максимальное оседание земной поверхности.

3.7. Типовые кривые сдвижений и деформаций.

3.7.1. Типовая кривая оседаний.

3.7.2. Типовая кривая наклонов.

3.7.3. Типовая кривая кривизны.

3.8. Типовые поверхности сдвижений и деформаций.

4. Апробация параметров процесса сдвижения в условиях многократной подработки земной поверхности.

4.1. Угловые параметры процесса сдвижения.

4.2. Определение сдвижений и деформаций.

4.3. Применение в маркшейдерских расчетах типовых поверхностей сдвижений и деформаций.

5. Эффективность предложенных рекомендаций по расчету параметров процесса сдвижения.

5.1. Эффективность применения рекомендуемых углов сдвижения при защите объектов на земной поверхности.

5.2. Эффективность при защите вертикальных стволов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование параметров сдвижения земной поверхности при ее многократной подработке в условиях подземной разработки угольных пластов»

Актуальность проблемы. Разработка полезных ископаемых подземным способом связана с извлечением из недр земли и перемещением горной массы. Выемка угольных пластов в районе г. Шахты ведется на протяжении около двух веков. Учитывая осадочное происхождение угля и вмещающих пород, извлекаются пласты и свиты пластов на большой площади, в результате чего происходит смещение массива горных пород и земной поверхности. Этот процесс характеризуется значительным разбросом по времени, территории и глубине. Он сопровождается различными эволюционными и разрушительными явлениями, при которых угольные шахты не только зарождались, углублялись, реконструировались, расширялись, но и подвергались аварийным ситуациям, закрывались и, наконец, взрывались. Количество отработанных пластов в отдельных местах трудно установить.

В Российском Донбассе вопросам сдвижения земной поверхности уделялось недостаточное внимание в связи с тем, что основная угольно - производственная база Донбасса в Советском Союзе находилась на территории Украины. Немногочисленные исследования отражены в отчетах о НИР под руководством В. М. Варлашкина в 1964 г. [13], Ю. В. Посыльного в 1985 [14] и 2002 гг. [15]. Заслуживают внимания исследования И. Ф. Озерова в условиях шахт ПО «Гуковуголь» [11].

Анализ показывает, что измеренные сдвижения и деформации, выполненные на наблюдательных станциях г. Шахты за последние 35 лет, не совпадают с сдвижениями и деформациями, рекомендуемыми правилами охраны [1]. Это объясняется недостаточной изученностью связей между временем, количеством подработок и параметрами процесса сдвижения, а также существенным изменением физико-механических свойств массива при многократной подработке земной поверхности.

Применяемый в настоящее время метод расчета сдвижений и деформаций земной поверхности основывается на типовых кривых, которые получены практически на основании данных инструментальных измерений, поэтому целесообразно эти кривые определять для каждого угольного района, а в будущем и для каждой шахты. Такой дифференцированный подход к показателям процесса сдвижения позволит повысить точность определяемых параметров, эффективность охраны поверхностных сооружений, а также вести рациональную выемку угольных пластов.

Следует отметить, что важным моментом при исследовании деформированных участков поверхности земли является примените распределений сдвижений и деформаций по площади мульды, которые дают наглядное представление об изменении земной поверхности.

В связи с вышеизложенным настоящая работа посвящена актуальной задаче по определению параметров процесса сдвижения в условиях многократной подработки земной поверхности горными выработками угольных шахт.

Цель работы. Обоснование параметров сдвижения земной поверхности при многократной подработке.

Идея работы заключается в использовании новых геометрических элементов мульды при обработке исходной информации о процессе сдвижения земной поверхности.

Методы исследований. Поставленные задачи решены при помощи анализа данных инструментальных наблюдений, методов математической статистики и теории ошибок измерений, трансформирования кривых оседаний посредством виртуальной точки сдвижения.

Основные защищаемые положения.

1. Методика определения углов сдвижения, граничных углов, углов полных сдвижений и максимального оседания отличающихся тем, что позволяют устанавливать более точные параметры сдвижения при многократной подработке земной поверхности.

2. Метод расчета ожидаемых сдвижений и деформаций по площади мульды, характеризующийся тем, что при определении рассчитываемых величин используются типовые поверхности оседаний, наклонов и кривизны, позволяющие упростить аналитический расчет.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждается: использованием в работе большого объема инструментальных наблюдений за сдвижениями земной поверхности над горными выработками; положительной апробацией результатов исследований в практике маркшейдерских работ; эффективностью полученных результатов.

Научная новизна заключается в разработке методических положений по расчету параметров процесса сдвижения земной поверхности при ее многократной подработке, основанных на методе трансформирования типовых распределений сдвижений и деформаций с использованием виртуальной точки мульды.

Практическое значение. Установлены параметры процесса сдвижения при многократной подработке земной поверхности в условиях Шахтин-ского угольного района, которые позволяют точнее рассчитывать ожидаемые деформации земной поверхности при разработке угольных пластов. Использование новых углов сдвижения позволяет уменьшить площадь опасной зоны в мульде и сократить потери угля в предохранительных целиках.

Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 6 статей в научных сборниках, внедрены в производство «Методические рекомендации по расчету параметров процесса сдвижения в Шахтинском угольном районе», делались доклады на ежегодных научно-технических конференциях Шахтин-ского института (филиала) Южно-Российского государственного технического университета (НПИ) (1999,2001).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 103 наименований, приложения и содержит 174 страницу машинописного текста, 38 таблиц, 27 рисунков.

Заключение диссертации по теме «Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр», Тетерин, Андрей Валентинович

Заключение

1. Актуальность темы исследований обусловлена неизученностью процесса сдвижения при многократной подработке земной поверхности в условиях подземной разработки угольных пластов.

2. Применение новой геометрии мульды позволяет использовать данные инструментальных измерений для получения параметров процесса сдвижения, отличающихся от существующих более высокой точностью.

3. Установлены угловые параметры процесса сдвижения для условий многократной подработки в Шахтинском угольном районе.

4. Анализ данных инструментальных измерений показал, что в условиях шахт ООО «Ростовуголь» наиболее приемлемыми для определения физической границы мульды является критерий оседание 15 мм, а для установления границ опасных деформаций для сооружений - критерий оседание 80 мм.

5. Получены типовые распределения оседаний, наклонов и кривизны в главных сечениях мульды для расчета величин сдвижений и деформаций без снижения точности определения этих величин.

6. Использование в расчетах предлагаемых типовых поверхностей (топоповерхностей) приводит к сокращению затрат времени на вычисления величин сдвижений и деформаций земной поверхности.

7. Разработаны и внедрены практику маркшейдерских работ «Методические рекомендации по расчету параметров процесса сдвижения при многократной и многолетней подработке в Шахтинском угольном районе», которые позволили уменьшить размеры предохранительных целиков угля под поверхностными объектами.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тетерин, Андрей Валентинович, 2004 год

1. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. -СПб., 1998.-291 с.

2. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. -М.: Недра, 1981.-288 с.

3. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок в Донецком угольном бассейне. -М.: МУП СССР, 1972. 128 р.

4. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок в Донецком угольном бассейне. Л.: ВНИМИ, 1960.-48 с.

5. Посыльный Ю.В. Руководство по расчету параметров процесса сдвижения земной поверхности над горными выработками / Шахт. ин-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2000. 163 с. - ISBN 5 - 88998 - 126 - 9.

6. Посыльный Ю. В. Посыльный В.В. Расчет параметров процесса сдвижения земной поверхности над горными выработками / Юж. Рос. гос. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 1999. - 100 с. - ISBN 5 - 88998 - 110 - 2.

7. Посыльный Ю. В. Геометрия мульды сдвижения земной поверхности над горными выработками угольных шахт: Дисс.д-ра техн.наук Новочеркасск,2002.374с.

8. Озеров И.Ф. Разработка методов расчета деформаций земной поверхности и охраны зданий при подземной добыче антрацитов Донбасса: Дис. канд. техн. наук: 05.15.01. М., 1982. - 241с.

9. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике.-М.: Из-во техн.-теор. лит.,1956.-784с.

10. Отчет о работе по теме ШЦ-37-89/2 "Определить фактические параметры процесса сдвижения горных пород в условиях шахт п/о Шахтуголь": Отчет о НИР /Шахтинский центр научно-технического творчества молодежи; Руководитель Ю.В. Посыльный; Шахты, 1990. 58 с.

11. Прокопов А.Ю. Дифференцированный подход к проектированию армировки шахтного ствола.// Научно-технические проблемы шахтного строительства: Сб. науч. тр./ Шахтинский институт ЮРГТУ. Новочеркасск: ЮРГТУ,2000.-С.98-103.

12. Прокопов А.Ю. Оценка экономической эффективности, сложности и технологичности безрасстрельных армировок.// Научно-технические проблемы шахтного строительства: Сб. науч. тр./ Шахтинский институт ЮРГТУ. Новочеркасск: ЮРГТУ,2000.-е. 103-111.

13. Страданченко С.Г., Малышев М.А. К вопросу отработки околоствольных предохранительных целиков.// Научно-технические проблемы шахтного строительства: Сб. науч. тр./ Шахтинский институт ЮРГТУ. Новочеркасск: ЮРГТУ,2000.-е. 111-120.

14. Об основных направлениях решения проблем воздействия подземных разработок на окружающую среду// Научно-технические и социально-экономические проблемы Российского Донбасса: Сб. науч. тр./ Шахтинский институт ЮРГТУ. Новочеркасск: ЮРГТУ,2003.-е. 155-156.

15. Кратч Г. Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений./ Пер. с нем. под ред. Р. А. Муллера и И. А. Петухова. М.: Недра, 1978.-494 с.

16. Авершин С. Г. Сдвижение горных пород при подземных разработках. М.: Углетехиздат, 1947. - 245 с.

17. Мазмишвили А. И. Теория ошибок и метод наименьших квадратов. М: Недра, 1978. - 311 с.

18. Маркшейдерское дело: учебник для вузов/ Казаковский Д.А., Авершин С.Г., Белоликов А.Н. и др. М.: Углетехиздат, 1959. - 688 с.

19. Методика комплексного исследования процесса сдвижения породных толщ и земной поверхности под влиянием горных работ. Л.: ВНИМИ. - 1971 г. - сб. № 81. - С. 226 -309.

20. Методические указания по проектированию горных мер защиты подрабатываемых объектов. / Министерство угольной промышленности СССР. Л.: ВНИМИ, 1975. - 64 с.

21. Нехорошев Ю. П., Короткое М. В. Выемка угля под магистральными железными дорогами. М.: Недра, 1968. - 96 с.

22. Посыльный Ю.В., Тетерин А.В. Типовые кривые оседаний земной поверхности в зависимости от коэффициентов подработанности. Всб: Научно-технические проблемы шахтного строительства. Новочеркасск, 2000 г. - С.262 - 266. - ISBN 5-88998-149-8.

23. Маркшейдерское дело: Учебник для вузов/ Д.Н.Оглоблин, Г.И.Герасименко, А.Г. Акимов и др. 3-е изд., перераб. и доп. М., «Недра», 1981,-704с.

24. Техническая инструкция по производству маркшейдерских работ. JL, Недра, 1971.

25. Петухов И.А. Некоторые вопросы влияния угла падения пласта на процесс сдвижения горных пород. Сборник статей по вопросам исследования горного давления и сдвижения горных пород. Сборник XXXII., Л.,ВНИМИ, 1958.-с. 3-22.

26. Ершов Н.М Аналитическое исследование поверхности мульды сдвижения. Сборник статей по вопросам исследования горного давления и сдвижения горных пород. Сборник XXXII., JI.,ВНИМИ, 1958.- с.24 38.

27. Борейко Ф.И., Прскарев В.К. Исследование процесса обрушения пород над выработанным пространством на объемной модели. Труды по вопросам горного давления и сдвижения горных пород. Сборник LIY. Л., ВНИМИ. 1964.- с.89-96.'

28. Справочник инженера-строителя. Изд. 2, перераб. и доп., том1, М.: Стройиздат, 1968.- 642с.

29. Максимов А.П., Парчевский Л .Я. Строительное дело и горнотехнические здания и сооружения.

30. Справочник по маркшейдерскому делу /Под редакцией проф. д-ра техн. наук А.Н. Омельченко. М., Недра, 1979. - 576 с.

31. Сборник нормативных материалов по охране недр. М., Недра, 1985.- 468с.

32. Справочник проектировщика- Основания, фундаментыи подземные сооружения. М., Стройиздат, 1985.- 520с.

33. Краткий справочник маркшейдера шахты. М., Госгортехиздат, 1959.-420с.

34. Баклашов И.В., Борисов В.Н. Проектирование и строительство горнотехнических зданий и сооружений. Строительные конструкции зданий и сооружений: Учеб. Для вузов/ Под ред. И. В. Баклашова.- М.: Недра, 1990.- 272с. ISBN 5-247-00667-4

35. О. Якоби. Практика управления горным давлением. Пер. с нем. -М.: Недра, 1987.-566с.

36. Полонский В. И. К вопросу расчета деформаций земной поверхности у края мульды по простиранию в условиях пологого и наклонного залегания пластов. Л.: ВНИМИ, сб. 50.- 1963. - С. 194 - 202.

37. Нехорошее Ю. Г., Короткое М. В. Выемка угля под магистральными железными дорогами. М.: Недра, 1968. - 96 с.

38. Кузьминский С.П. Рудничная триангуляция. М., Углетехиз-дат,1952.-299с.

39. Бурчаков А .С., Гринько Н.К., Черняк И.Л. Процессы подземных горных работ. М., Недра, 1982.-356с.

40. Маркшейдерское дело. Терминологический словарь. М.,1985.210с.

41. Горное дело. Терминологический словарь. М., Недра, 1990.532с.

42. Прогрессивные паспорта крепления, охраны и поддержания подготовительных выработок при бесцеликовой технологии отработки угольных пластов. JI., ВНИМИ, 1985.-251с.

43. Технологические схемы комплексного использования недр при подземной разработке месторождений. М., ИГД, 1988.-321с.

44. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР. JI., ВНИМИ, 1986.-245с.

45. Федунец Б.И., Симонов В.М. Эффективность отработки пологих пластов. М., Недра, 1982.

46. Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах. М., Недра, 1986.-265с.

47. Правила безопасности в угольных шахтах.- Самара: Самар. Дом печати, 1995.-242с.

48. Справочник по геодезическим работам в строительно-монтажном производстве/ С. П. Войтенко, Г.М. Литвин и др.; Под ред. Ю.В. Полищука.- М.: Недра, 1990.-336с.

49. Стенин Н.И. Организация маркшейдерских работ на горных предприятиях.- М.: Недра, 1986,176с.

50. Короткое М.В. Выемка угля под сооружениями в Донбассе. М.: Углетехиздат, 1953.- 121с.

51. Акимов А.Г. Некоторые данные о сдвижениях горных пород и способах их расчета. Сборник статей по вопросам исследования горного давления и сдвижения горных пород. Сборник XXXII., Л.,ВНИМИ, 1958.-с.93-107.

52. Муллер Р. А. Определение усилий, действующих на здание в вертикальной плоскости при его подработке. Сборник статей по вопросам исследования горного давления и сдвижения горных пород. Сборник

53. ХХХП:, Л.,ВНИМИ, 1958.-с.118-138.

54. Варлашкин В.М. Определение предельных и критических вертикальных деформаций для гражданских зданий. Сборник статей по вопросам исследования горного давления и сдвижения горных пород. Сборник XXXII., Л.,ВНИМИ, 1958.- с!148 162.

55. Медянцев А.Н., Варлашкин В.М. Вопросы выемки предохранительных целиков с точки зрения экономики производства. Сборник статей по вопросам исследования горного давления и сдвижения горных пород. Сборник XXXII., Л., ВНИМИ, 1958.-c.167- 170.

56. Система допусков в строительстве.-М.: Стройиздат, 1981.-63с.

57. Муллер Р. А., Меламут Л. Ш., Варлашким В. М., Короткое М. В., Гертнер П. Ф. Защита гражданских зданий от влияния подземных горных работ. М.: Недра. - 197р. - 224 с.

58. Мурашев А. Н. Погрешности измеренных и расчетных сдвижений и деформаций земной поверхности. Л.: ВНИМИ, 1969.- № 71.- С. 86-99.

59. Мякенький В. И. Сдвижение и дегазация пород и угольных пластов при очистных работах. Киев: "Наукова думка", 1975. 100 с.

60. Нейберт К. О достигнутых в ГДР за последнее десятилетие успехах в области изучения проблем сдвижения горных пород и земной поверхности, горных ударов и других вредных последствий ведения горных разработок. Л.: BHHMJd, сб. 75.- 1969.- С. 277-287.

61. Оглоблин Д. Н., Зоря Н. М. Исследование процесса сдвижения горных пород и земной поверхности на плоских моделях из эквивалентных материалов // Горное дело, 1958. № 1.С. 77 88.

62. Петухов И. А. Основные направления исследований сдвижений горных пород, охраны сооружений и природных объектов при разработке угольных месторождений. Л.: ВНИМИ, сб. 100.- 1976,- С. 77 - 85.

63. Полонский В. И. К вопросу расчета деформаций земной поверхности у края мульды по простиранию в условиях пологого и наклонного залегания пластов. Л.: ВНИМИ, сб. 50.- 1963. - С. 194 - 202.

64. Методика комплексного исследования процесса сдвижения породных толщ и земной поверхности под влиянием горных работ. Л.: ВНИМИ. - 1971 г. - сб. № 81. - С. 226 -309.

65. Методические указания по проектированию горных мер защиты эксплуатируемых зданий и сооружений в районах залегания крутопадающих пластов. / Министерство угольной промышленности СССР. JI.: ВНИМИ, 1973. -200 с.

66. Методические указания по проектированию горных мер защиты подрабатываемых объектрв. / Министерство угольной промышленности СССР. Л.: ВНИМИ, 1975. - 64 с.

67. Медянцев А. Н., Навитний А. М. Основные направления исследований сдвижения горных пород. // Уголь. 1984. - № 4. - с. 53 -55.

68. Медянцев А. Н. Сдвижение горных пород и земной поверхности под влиянием горных выработок. Новочеркасск.: НПИ, 1976. - 84 с

69. Медянцев А. Н., Мазурова А. И. Сдвижение земной поверхности в малоизученных условиях Донбасса. -JI.: ВНИМИ, сб. 55.- 1965.- С. 14 -33.

70. Короткое М. В. Научно-исследовательские маркшейдерские работы в Донбассе. // Исследования по вопросам маркшейдерского дела. -М.: Углетехиздат, 1953. № 27. - с. 90 - 102.

71. Короткое М. В. Охрана сооружений от вредного влияния горных разработок на шахтах Англии. -JI.: ВНИМИ, сб. 40.- 1961.- С. 182 -211.

72. Короткое М. В. Исследование процесса сдвижения горных пород и защита подрабатываемых зданий и сооружений в СССР. JL: ВНИМИ, сб. 75.- 1969.- С. 288 - 296.

73. Костерин М. А. Влияние угла падения и размеров выработки на характер мульды сдвижения. // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 1974. - № 3. - С. 43 - 49.

74. Иофис М. А., Кренида Ю. Ф., Маевский Ф. М., Марков В. В., Трифонов А. В., Шевченко В. Н. Добыча угля под сооружениями в Донбассе. Донецк: Донбасс. - 1974. - 94 с.

75. Земисев В.Н., Никитинский В. Н. Метод определения смещений точек поверхности объемных моделей. JL: ВНИМИ.- 1966 г. - сб. № 66.-С. 146-149.

76. Земисев В. Н., Гвирцман Б. Я. Основные положения методики расчета деформаций земной поверхности при разработке крутопадающих пластов. Л.: ВНИМИ. - 1972 г. - сб. № 86. - С. 33 - 41.

77. Земисев В.Н. Расчеты деформаций горного массива. М.: Недра, 1973.- 144 с.

78. СНиП II-8-78. Строительные нормы и правила. Часть II. Нормы проектирования. Глава 8. Здания и сооружения на подрабатываемых территориях. М. - 1979. - 24 с.

79. Указания по проектированию зданий и сооружений на подрабатываемых территориях. СН 289-64. М. - 1965. - 84 с.

80. Успенский М. С. О выборе мест для закладки центров и реперов в тундре //Геодезия и картография. 1961. 4. - С. 30-34.

81. Успенский М. С. Закладка реперов при глубоком промерзании грунта // Геодезия и картография. 1966. - № 10. - С. 25-27.

82. Турчанинов В.А., Иофис М.А., Каспарьян Э.В. Основы механики горных пород. JI.: Недра, 1989. - 488 е.: ил. .

83. Сборник нормативных материалов по маркшейдерскому и геологическому обеспечению горных работ в угольной отрасли России. М.: ИПКОН РАН, 1996.-245 с. ISBN-5-201-15564-2.

84. Правила охраны сооружений от вредного влияния горных разработок в Донецком и Подмосковном угольных бассейнах. М.: Углетех-издат, 1947. - 60 с.

85. Кулешов Д.А., Стрельников Г.Е. Инженерная геодезия для строителей: Учебник для вузов. М.: Недра, 1990.- 256с.

86. Тетерин А.В. Проблемы охраны сооружений и водных объектов от вредного влияния подземных горных разработок/Уч.-мет. пособие. Новочеркасск.: ЮРГТУ, 2000. - 60 с.

87. Технология подземной разработки угольных пластов в примерах и задачах: в 2 кн. Учеб. Пособие / Под ред. A.JL Малеца, В.А. Матвеева, В.М.Феоктистова. Новочерк. гос. техн. ун-т, Новочеркасск: Hi ТУ, 1998. кн. 2. 182с.

88. Посыльный Ю.В. Методические рекомендации к УИРС. Новочеркасск, НПИ, 1982.-48с.