Определение условий образования провалов и разработка способов их предотвращения при ликвидации шахт в Подмосковном бассейне тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.15.11, кандидат технических наук Кошелев, Владимир Николаевич

• Кошелев, Владимир Николаевич
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кошелев, Владимир Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОБРАЗОВАНИЯ ПРОВАЛОВ НАД ГОРНЫМИ ВЫРАБОТКАМИ, ЗАДА ЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Основные сведения о случаях возникновения провалов над горными выработками и критерии их образования.

1.2. Существующие гипотезы сдвижений пород в окрестности горных выработок.

1.3. Постановка задач исследования.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА И УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ПРОВАЛОВ

НАД ГОРНЫМИ ВЫРАБОТКАМИ.

2.1. Характеристика сдвижений пород при образовании провалов.

2.2. Установление критериев оценки состояния массива нарушенного горными работами.

2.3. Развитие зон сдвижения в массиве и на поверхности до и после выхода провала.

2.4. Определение условий образования провалов.

2.5. Схемы обрушений пород над выработкой.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

ГЛАВА 3. СМЕЩЕНИЯ ПОРОД В ГОРНЫЕ ВЫРАБОТКИ В УСЛОВИЯХ

С А ФОНОВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ.

3.1. Краткое описание геологического строения.

3.2. Цитологическая характеристика различных типов глинистых пород и их физико-механические свойства.

3.3. Смещения пород в горные выработки в виде пучения и факторы, влияющие на него.

3.4. Определение степени устойчивости и величины заполнения выработок.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА, ПРОГНОЗ

ЕГО ИЗМЕНЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЗМОЖНЫХ ПОСЛЕДСТВИЙ.

4.1. Характеристика территории бассейна.

4.2. Оценка подработанных территорий.

4.3. Прогноз возможных форм геомеханических изменений в массиве и на поверхности.

4.4. Возможные последствия закрытия угольных шахт.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

ГЛАВА 5. ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫМИ ПРОЦЕССАМИ, ПРОИСХОДЯЩИМИ В ТОЛЩЕ ПОРОД И НА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ, И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КАЖДОГО ИЗ

ЭТИХ СПОСОБОВ.

5.1. Основные принципы управления деформационными процессами.

5.2.Определение способов предотвращения (снижения) последствий закрытия угольных шахт.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Определение условий образования провалов и разработка способов их предотвращения при ликвидации шахт в Подмосковном бассейне»

Актуальность проблемы. В связи с массовым закрытием угольных шахт возникает проблема оценки возможных последствий ликвидации предприятий и разработки способов их снижения.

В ряде случаев горные выработки являются причиной образования провалов, возникновения трещин, уступов, неожиданных интенсивных оседаний отдельных участков поверхности и, как следствие, деформаций зданий и сооружений.

Наиболее сложной в рассматриваемой проблеме является задача определения, с учетом геомеханической обстановки закрываемых шахт, области безопасного влияния на земную поверхность погашаемых горных выработок и установления возможных форм ее сдвижения.

Выработки и отдельные полости, находящиеся в массиве, с течением времени и при определенных условиях теряют устойчивость, в результате чего деформационные процессы могут достичь земной поверхности и привести к ее сдвижению.

Из существующих видов сдвижения провал является наиболее опасным, так как он появляется внезапно и, пронизывая всю толщу горных пород, создает угрозу аварий и безопасности людей.

Особенно остро проблема прогноза и предотвращения внезапных провалов на земной поверхности стоит в Подмосковном угольном бассейне, где ведется массовая ликвидация горных выработок, расположенных на небольших (20 - 100м) глубинах. В настоящее время из действующих шахт в бассейне осталось восемь, остальные закрыты или находятся в стадии закрытия. На ликвидированных и ликвидируемых шахтах имеется большое количество горных выработок различного назначения с суммарной протяженностью, исчисляемой десятками километров.

Отсутствие научно обоснованных и узаконенных нормативными документами методов определения условий образования на земной поверхности провалов и воронок приводит к тому, что выбор способа погашения выработок нередко осуществляется произвольно, согласно опыту и интуиции проектировщика, что в определенных условиях ведет к серьезным ошибкам, влекущим образование не только одиночных, но и серии провалов, как это было на шахтах «Скуратовская» и «Глубоковская» в Тульской области.

Цель работы. Определение условий образования провалов и создание научной основы безопасного использования подработанных территорий.

Основная идея. Учет характера обрушения пород над выработкой и степени заполнения ее сечения вмещающими породами при оценке возможности образования провалов и при определении их размеров.

Методы исследования. Использован комплексный метод, включающий анализ и научное обобщение литературных источников, изучение литологического строения толщи, многолетние натурные наблюдения за смещениями контура выработок, сбор и анализ фактических данных случаев образования провалов.

Научные положения.

1. Вероятность возникновения провалов определяется состоянием массива в зависимости, от которого можно выделить следующие условия их образования:

- при заложении выработки на глубине менее 30м существует высокая вероятность образования провалов, как при ликвидации горных выработок, так и при прекращении работ по их поддержанию; в таких условиях состояние массива можно характеризовать как неустойчивое. при заложении выработки на глубинах от 30 до 60м вероятность образования провалов зависит от степени заполнения выработки вмещающими породами на момент обрушения кровли; состояние массива в данных условиях можно характеризовать как относительно устойчивое. при глубине заложения выработки свыше 60м воронки и провалы на земной поверхности возникают весьма редко (за исключением случаев активизации деформационных процессов, связанных с прорывом плывунов); данное состояние массива можно характеризовать как устойчивое.

2. Величина пучения пород почвы выработки определяется соотношением веса столба пород единичной площади (уН) и предела прочности пород на одноосное сжатие (о-сж): уН при-< 0,3 величина смещений и<200мм (не пучащие породы); асж ■уН

-при 0,3 <-<1 величина смещений и=200+2000мм (пучащие породы); сж уН

- при->1 величина смещений и>2000мм (сильно пучащие породы).

7сж

3. Критерием оценки состояния массива является показатель, учитывающий совместное влияние глубины Нь (расстояние от кровли выработки до контакта коренных н пород с наносами) и площади сечения выработки вчерне Б: при -р->16 - устойчивое ь н состояние массива, при 8<-^<16 - массив находится в состоянии относительной ь н устойчивости, —Л- < 8 - неустойчивое состояние массива. а/5

4. По степени пригодности территории делятся на пять классов, отличающихся характерными, свойственными только для них особенностями и условиями использования.

Научная новизна: определены условия и вероятность образования провалов в зависимости от глубины заложения выработки и ее сечения. выявлено и описано не учитываемое ранее влияние степени заполнения сечения выработки вмещающими породами в момент обрушения кровли на условия образования провалов.

- разработаны схемы обрушений пород над выработкой в зависимости от глубины ее заложения и особенностей литологического строения толщи. обоснована и составлена классификация подработанных территорий с учетом геомеханического состояния массива и горно-геологических условий.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована: теоретическими исследованиями, базирующимися на основных гипотезах устойчивости пород при проведении выработки, достаточным объемом исходных данных для установления зависимостей и комплексностью исследований, удовлетворительной сходимостью результатов прогноза с фактическими данными и внедрением разработок.

Научное значение. Разработан метод геомеханической оценки и прогноза состояния массива горных пород при размещении в нем подготовительных и капитальных выработок.

Практическая ценность. Определены условия использования подработанных территорий для различных хозяйственных нужд с учетом характера и форм проявления деформаций горных пород, в том числе образования провалов.

Реализация работы. Основные результаты исследований отражены в "Методических рекомендациях по геомеханическому обеспечению закрытия угольных шахт", утвержденных вице-президентом ОАО компании "Росуголь" 24 октября 1997г. и "Инструкции по наблюдениям за сдвижениями земной поверхности и расположенными на ней объектами при строительстве в Москве подземных сооружений", согласованной с Управлением развития Генплана Правительства Москвы 8 сентября 1997г и утвержденной Госгортехнадзором России 17 сентября 1997г. Постановление 29.

Апробация работы. Основные положения работы доложены на научных симпозиумах: Неделя горняка - 98, Неделя горняка - 99 в МГГУ и научных семинарах лабораторий проблем комплексного освоения угленосных отложений недр, горной геомеханики и др ИПКОН РАН.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано три работы.

Объем работы. Диссертация содержит 99 страниц машинописного текста, 29 рисунков, 14 таблиц, список из 40 литературных источников

Заключение диссертации по теме «Физические процессы горного производства», Кошелев, Владимир Николаевич

8. Основные результаты диссертационной работы вошли составной частью в "Методические рекомендации по геомеханическому обеспечению закрытия угольных шахт" и используются для решения практических задач.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена актуальная научная задача, заключающаяся в определении условий образования провалов и разработки способов их предотвращения при ликвидации шахт в Подмосковном бассейне, имеющая важное народнохозяйственное и социальное значение, связанное с безопасным использованием подработанных участков территорий.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кошелев, Владимир Николаевич, 1999 год

1. Турчанинов И. А., Иофис М. А., Каспарьян Э. В. Основы механики горных пород. Л., Недра, Ленинградское отделение, 1989.

2. Иофис М. А., Шмелев А.И. Инженерная геомеханика при подземных разработках. М., Недра, 1984.

3. Отраслевая Инструкция о порядке ликвидации и консервации предприятий по добыче угля (сланца). М., 1997.

4. И.В. Милетенко и др. " Результаты исследований напряженного состояния массива вокруг выработок"./ Физическо-технические проблемы разработки полезных ископаемых, №4 Изд. "Наука"

5. Баклашов И. В. Разрушение и деформирование породных массивов. М., Недра, 1988.

6. И.В. Милетенко. " Изучение устойчивости очистных выработок на плоских и объемных электромоделях". / Добыча и обогащение полезных ископаемых. Москва 1977г. с. 8-11.

7. Черняк И. Л. Предотвращение пучения почвы горных выработок. М., Недра, 1978.

8. Рекомендации по снижению отрицательного воздействия горных работ на геологическую среду основных угольных бассейнов СССР. М., Изд. им. А. А. Скочинского, 1987.

9. Schulz А. Untersuchungen über Dimensionen der Sichereitspfletlern für den Saarbrucken Steinkohlen bergbau. Zeit. Für das Berg-Hutten und Salinenwesen im Preussische Staate, 1867.

10. Слесарев В.Д. Механика горных пород. Углетехиздат 1948.

11. П.Михеев О.В., Лурий В.Г. Управление состоянием массива пород. Учебное пособие. М:. МГИ 1990 с. 93.

12. Лабас А. Давление и движение пород.Сб. «Международная конференция по горному давлению». М., Углетехиздат, 1957.

13. Черняк И.Л., Ярунин С.А. Управление состоянием массива горных пород. М., «Недра» 1995 с.ЗЗ.

14. Борисов A.A. Расчёты горного давления в лавах пологих пластов. М., «Недра», 1964.

15. В.И. Борщ-Компониец. Механика горных пород массивов и горное давление. М:. 1968 с.315.

16. Борисов A.A. Новые методы расчёта штанговой крепи. М., Госгортехиздат, 1962.

17. Дополнения к правилам охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок в Подмосковном угольном бассейне. ВНИМИ 1964.

18. В Н. Капралов. Особенности сдвижения и деформации горного массива при подземной газификации крутопадающих угольных пластов. / Маркшейдерский вестник № 2 Москва 1994 с. 65-69.

19. Горное дело: Терминологический словарь/ Лидин Г.Д., Воронина Л.Д., Каплунов Д.Р. и др. 4-е изд., перераб. и доп. -М.: Недра, 1990.С.437.

20. Методические рекомендации по геомеханическому обеспечению закрытия угольных шахт. -М.:ИПКОНРАН, 1998,- 19с.

21. Журнал Горный вестник №4 с.54. Статья М.А.Иофиса «Геомеханнический мониторинг при освоении недр».

22. Смирнова П.И. Волкова Ю.В. "Определение высоты зоны беспорядочного обрушения пород в условиях разработки угольных месторождений Подмосковного бассейна". Горное давление и горные удары. Сб. трудов ВНИМИ №82 1971 с. 81 -282с.

23. Инструкция по наблюдениям за сдвижениями земной поверхности и расположенными на ней объектами при строительстве в Москве подземных сооружений. М:. !997. 76с.

24. Черняк И.Л. Управление состоянием массива горных пород. Раздел «Горное давление в подготовительных выработках». Учебное пособие. Изд. МГИ, 1981, с.18. -59с.

25. Вопросы разрушения и давления горных пород. Сб.ст. М:. Углетехиздат 1955 с. 203-210.

26. Леонов В.П., Подъёмщиков HB. В кн.: Сб. трудов ПНИУИ, 6,7. Углетехиздат, М., 1952.

27. Городничев В.М. Современные методы борьбы с пучением горных пород. Госгортехиздат, М.:1960.

28. Мариманов И.Г. Устойчивость горных выработок в глинистых породах, с. 101 -286с. Тбилиси 1968.

29. Нейман Л.К. Механические свойства пород и их влияние на устойчивость выработок. Тр. ВНИМИ Механика горных пород и горное давление. Л. 1981 с.42.

30. ГО.В. Волков, ГТ.И. Смирнов. «Характер проявлений опорного давления в выработках шахт Подмосковного бассейна». /Исследование проявлений горного давления на глубоких горизонтах шахт. Сб. тр. ВНИМИ т. 81 1971 с. 191 -205.

31. Е А. Иванов. «Прогнозирование смещений пород на контуре сечения капитальных выработок с использованием инженерного и аналитического методов расчета». /Горное давление и горные удары. Тр. ВНИМИ Сб. 91 Л. 1974 с.83 88.

32. Глушко В.Т., Виноградов В.В. Разрушение горных пород и прогнозирование горного давления. М., Недра, 1982 с. 52 88.

33. Блоха Е Е., Поляк З.И., Рашковский Я.З. Маркшейдерское дело. Углетехиздат 1956.

34. Сборник руководящих материалов по охране недр при разработке месторождений полезных ископаемых /Госгортехнадзор СССР,- 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Недра, 1987. С.257-259.

35. Общие правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. ВНИМИ (проект) Л. 1974 с.64- 93.

36. Предотвращение повреждений земной поверхности при ведении горных работ в Донбассе. Экспресс-информ /ЦНИЗИуголь/ М, 1983 с. 13.

37. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. М., Недра, 1981.

38. Иофис М.А. Научные основы управления деформационными и дегазационными процессами при разработке полезных ископаемых. Москва 1984г 230с.

39. Самарин В.П., Лгунов А.С., Фоменко В.Р. Причины, условия, место образования провалов и прогнозирование их объемов при разработке крутопадающих пластов/ Труды ВНИМИ Сдвижение земной поверхности и устойчивость откосов//Л, 1980.

40. Безопасная выемка угля под водоносными объектами. М.; Недра, 1977.

41. Капралов В К. Результаты исследований условий образования провалов земной поверхности при подземной газификации крутых угольных пластов / Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках. / М.: Недра, 1984.

42. Шалагинов Н.Ф. Определение условий безопасной выемки угля под водоемами. Центр, ин-т научн техн. информ. Минугля, 1959.

43. Громов В В. Условия образования воронок обрушения при наличии плывунов в налегающей толще пород / В НИМИ. Сб. "Горное давление, горные удары и сдвижение массива " // С. Петербург, 1996