Разработка методики определения деформаций земной поверхности при ее многократной подработке тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.20, кандидат технических наук Тенисон, Людмила Олеговна

• Тенисон, Людмила Олеговна
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тенисон, Людмила Олеговна

Введение

1 Состояние изученности процесса сдвижения при повторной подработке земной поверхности

1.1 Сущность многократной подработки земной поверхности

1.2 Современное состояние определения параметров процесса сдвижения горных пород и земной поверхности

1.2.1 Общие методики определения параметров процесса сдвижения

1.2.2 Методики определения параметров процесса сдвижения горных пород на Калийных месторождениях

1.2.3 Особенности проявления процесса сдвижения при многократной подработке

1.3 Особенности геологического строения и разработки ВКМКС

1.3.1 Геологическое строение

1.3.2 Система отработки ВКМКС

1.4 Методики определения параметров процесса сдвижения земной поверхности при её многократной подработке на Верхнекамском месторождении

1.4.1 Особенности сдвижения земной поверхности на ВКМКС

1.4.2 Математическое моделирование ситуации в условиях многократной подработки на ВКМКС

1.4.3 Инженерные методики определения деформаций земной поверхности в сложных горнотехнических условиях на ВКМКС

1.5 Цели и задачи исследований

2 Исследования закономерностей развития процесса сдвижения земной поверхности при её последовательной подработке

2.1 Выбор объектов исследований

2.2 Анализ результатов наблюдений за вертикальными деформациями земной поверхности

2.2.1 Методика наблюдений за оседаниями земной поверхности

2.2.2 Анализ измерений вертикальных деформаций при последовательной подработке во времени

2.2.3 Установление срока формирования мульды сдвижения в условиях последовательной подработки

2.3 Исследования результатов наблюдений за горизонтальными сдвижениями и деформациями

2.3.1 Методика измерений горизонтальных деформаций

2.3.2 Анализ результатов горизонтальных измерений

2.3.3 Изменение горизонтальных деформаций при последовательной подработке

2.3.4 Зависимость между вертикальными и горизонтальными смещениями

2.3.5 Установление закономерности распределения горизонтальных сдвижений и деформаций

2.4 Выявление закономерностей распределения деформаций при последовательной подработке

2.4.1 Классификация условий подработки

2.4.2 Определение периодов формирования мульды сдвижения в условиях последовательной подработки

2.4.3 Установление численной зависимости между оседаниями и горизонтальными деформациями

2.4.4 Распределения горизонтальных деформаций

3 Методика расчета деформаций земной поверхности при её последовательной подработке

3.1 Основные параметры процесса сдвижения земной поверхности

3.2 Определение деформаций земной поверхности

3.2.1 Исходные данные

3.2.2 Определение ожидаемых деформаций земной поверхности в условиях постоянных границ

3.3 Составление геомеханической модели и разработка методики определения параметров процесса сдвижения при последовательной подработке в условиях временных границ горных работ

4 Определение деформаций земной поверхности в границах селитебной части города Березники

4.1 Определение деформаций земной поверхности над временной границей между 1 бис и 2 бис ВП

4.2 Определение деформаций на площади, подработанной карналлитовым пластом 156.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики определения деформаций земной поверхности при ее многократной подработке»

В огромном многообразии закономерностей развития процесса сдвижения, определяемом условиями ведения подземной разработки, особое место занимает многократная или повторная подработка земной поверхности и расположенных на ней охраняемых объектов. Классическим вариантом многократной подработки является последовательная отработка свиты пластов полезных ископаемых. В этом случае земная поверхность и подрабатываемые объекты многократно, по количеству пластов, подвергаются воздействию процесса сдвижения. При этом каждая подработка будет сопровождаться своими закономерностями развития деформационных процессов.

На значительных по площади месторождениях при выемке пластов обычно используется панельный или панельно-блоковый способ отработки, определяющий последовательную отработку участков с образованием внутри горных отводов временных границ горных работ. Объекты земной поверхности, расположенные в краевой части мульды, образованной над временной границей, испытывают влияние горных работ, в первую очередь, при первичной подработке со стороны первого участка, второй раз - при отработке запасов последующего участка.

Последовательный способ отработки применяется при добыче запасов калийных солей на площади ВКМКС. На подработанных или планируемых к подработке территориях в настоящее время ведется промышленное и гражданское строительство. При проектировании объектов встает вопрос о необходимости применения при строительстве дополнительных конструктивных мер защиты объектов от вредного влияния горных работ. Достоверное определение расчетных и ожидаемых горизонтальных деформаций земной поверхности, которые зачастую являются основным критерием сохранения объектами, расположенными на подработанной территории, своих эксплуатационных свойств, позволит предотвратить опасные последствия подработки и, в то же время, исключит завышение затрат на введение дополнительных конструктивных мер.

Особую актуальность проблема прогнозирования деформаций приобрела после аварии 2006 года, в результате которой всё рудничное пространство БКПРУ-1, расположенное под селитебной территорией г. Березники, было затоплено. Для оценки последствий аварии возникла необходимость определения и прогнозирования деформаций одновременно большого количества жилых и промышленных объектов.

Несмотря на комплекс конструктивных мер защиты, принятых в 2009 году, по завершению затопления рудничного пространства в некоторых жилых зданиях проявились признаки деформирования, приводящие к потере им эксплуатационных свойств. Особенная концентрация таких зданий выделяется в районе, пространственно расположенном над временной границей между 1 бис и 2 бис ВП, в связи с тем, что при выполнении оценочных геомеханических расчетов не были учтены показатели горизонтальных сдвижения и деформаций, достигнутые до затопления и их скорости в момент активизации процесса сдвижения, вызванного намоканием целиков различной устойчивости.

Таким образом, разработка новых методов расчета деформаций земной поверхности над временными границами горных работ, учитывающих горизонтальные и вертикальные сдвижения и деформации, является актуальной научно-технической задачей, имеющей важное научное и практическое значение. Исследования по диссертационной работе выполнены в рамках договоров 271С-2010, 288У-2010, 290У-2010, 01-17/62 с ОАО «Соликамск», ОАО «Уралкалий» и администрацией городов Березники и Соликамск.

Объект исследований - массив горных пород (земная поверхность), подработанный (ая) подземными горными выработками.

Предмет исследований - преобразования (деформации) земной поверхности при её последовательной подработке горными работами.

Целью работы является: исследование закономерностей изменения вертикальных и горизонтальных деформаций земной поверхности при её последовательной подработке для разработки прикладной методики расчета деформаций в условиях образования временных границ горных работ при различных горнотехнических условиях.

Идея работы состоит в использовании зависимости изменения скорости горизонтальных деформаций земной поверхности от скорости вертикальных деформаций, для определения величины горизонтальных деформаций в период активизации.

Основные задачи исследований:

- выявить изменения закономерности распределения деформаций в различные временные периоды формирования краевой части в условиях последовательной подработки и установить связь этих закономерностей с горнотехническими условиями с каждой стороны временной границы горных работ;

- определить продолжительность периода окончательного формирования границы после повторной подработки;

- установить численную зависимость между скоростью вертикальных и скоростью горизонтальных деформаций земной поверхности в период активизации;

-установить численную зависимость между вертикальными и горизонтальными сдвижениями земной поверхности в различные периоды от начала подработки.

Методы исследования: В работе использован комплексный метод исследований, включающий натурные эксперименты, методы геометризации данных, отбор, анализ и обобщение данных наблюдений за сдвижением земной поверхности. Систематизация и классификация процессов деформирования в различных условиях их образования.

Подтверждение достоверности результатов исследования: многолетние результаты натурных экспериментов по исследованию процесса сдвижения на предприятиях ВКМС; удовлетворительная сходимость расчетных параметров, полученных по разработанной методике расчета, с фактическими данными натурных инструментальных наблюдений.

Основные защищаемые положения:

- продолжительность периода активизации (переформирования границы) после повторной подработки определяется горнотехническими условиями и скоростью оседаний земной поверхности на участках первой и последующей подработок:

- при С/ < С//и Та=4~к, где£=6; (1)

Ли

- при С/ > Си и гц> гщ Тп =0; (2) С - показатель степени нагружения междукамерных целиков может быть выражен формулой: с-2, р где 2 - нагрузка, действующая на целик <2 = уН01; Р - несущая способность целика Р = Ьап; 3 у - объемный вес налегающей толщи пород (у =2,2 тс/м ); / - межосевое расстояние;

Н0 - максимальное значение расстояния от земной поверхности до кровли целиков на рассматриваемом участке отработки;

Ь - расчетная ширина междукамерных целиков; ап — расчетная прочность пород.

- в условиях последовательной подработки земной поверхности, зависимость между скоростью оседаний и скоростью горизонтальных деформаций в период активизации выражается в следующем виде:

Е, 4

4=1' (3) где е1, с2- максимальные скорости горизонтальных деформаций до и после отработки смежной панели; г\1, г\2- максимальные скорости оседаний над срединами панелей до и после отработки смежной панели;

- коэффициент «а», определяющий зависимость между вертикальными и горизонтальными смещениями земной поверхности в краевой части мульды сдвижения в условиях ВКМКС изменяется во времени. Величина коэффициента «а», зависит от достигнутого оседания земной поверхности выражается в виде:

1) при С <0,45 а = 0.39к~°' ; (4)

2) при С >0,45 а = 0.328к°3 , где К /г/тах . , (5)

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:

- в развитии представлений о механизме и условиях формирования краевой части мульды сдвижения в условиях последовательной подработки и разработке методик расчета и прогнозирования учитывающих, в том числе, и дискретное изменение величины горизонтальных деформаций в момент последующей подработки;

- выдвинута и подтверждена гипотеза о зависимости распределения деформаций в краевой части мульды сдвижения (типовых кривых распределения), образующихся в условиях последовательной подработки, от горнотехнических условий ведения горных работ с каждой стороны временной границы. Выделено четыре типа конфигураций;

- доказано, что срок окончательного формирования мульды сдвижения и над временной границей горных работ определяется скоростями оседаний обеих сторон границы. Выделено три временных периода, в каждый из которых необходимо применять различные методические подходы к определению горизонтальных деформаций;

- установлены численные значения функций безразмерного распределения вертикальных и горизонтальных сдвижений и деформаций для каждого типа краевой части;

- теоретически установлены и экспериментально подтверждены взаимосвязи скоростей горизонтальных деформаций и скоростей оседаний начальной ч и последующей подработок;

- разработан и обоснован новый метод определения вертикальных и горизонтальных деформаций земной поверхности в условиях формирования краевых частей мульды сдвижения при последовательной подработке земной поверхности.

Личный вклад соискателя. Все научные результаты, выносимые на защиту, получены автором лично. Соавторы опубликованных работ принимали участие в обсуждении промежуточных и конечных результатов. Обработка, интерпретация данных, разработка методов расчетов, а также выводы, сделаны автором самостоятельно.

Опубликованность результатов исследований.

Основные результаты исследований отражены в 7 опубликованных работах, в том числе 5 - в рекомендованных ВАК изданиях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 172 страницах текста, содержит 53 рисунка, 27 таблиц, список литературы из 64 наименований.

Заключение диссертации по теме «Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика», Тенисон, Людмила Олеговна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Особенности последовательной отработки шахтных полей на Верхнекамском месторождении калийных солей определяют образование временных границ горных работ, над которыми формируются специфические мульды сдвижения. Поскольку в зону вредного влияния горных работ попадает жилая застройка городов Березники и Соликамск, задача определения деформаций земной поверхности является одной из важнейших. Особую актуальность точное определение деформаций получило после затопления рудничного пространства БКПРУ-1, на площади горного отвода которого расположена селитебная часть города Березники и ряд Предприятий с опасным производством. Большая часть объектов находится над временными границами, образованными при последовательной подработке.

В рамках работы проведены исследования закономерностей распределения деформаций в период формирования мульды сдвижения в условиях взаимного влияния смежных подработок.

На основании выполненных исследований установлены закономерности формирования краевой части мульды сдвижения в условиях последовательной подработки во времени. Наиболее важными в контексте особенностей, влияющих на формирование краевой части мульды сдвижения при последовательной отработке являются:

1) распределение деформаций в краевой части мульды сдвижения при последовательной отработке определяется ведением горных работ с обеих сторон границы между первичной и последующей подработкой. Выполнена классификация участков, расположенных над временными границами по условиям их формирования и выделено четыре типа границ.

Первый тип формируется в условиях, когда скорости оседаний земной поверхности на участке вторичной подработки меньше, чем на участке первичной подработки. Значения наклона и кривизны в этом случае увеличиваются со временем.

Второй тип мульды формируется при условии равной степени нагруже-ния и скорости оседаний как на участке первичной, так и вторичной подработки при степени нагружения С < 0,4, или при создании зоны смягчения с отношением С2/С1 = 0,6 при подработке с оставлением податливых целиков С ~ 0,7. В этом случае со временем показатели наклона и кривизны уменьшаются.

Третий тип мульды формируется в случае, когда скорости оседаний и/или степень нагружения целиков на участке вторичной подработки выше, чем на участке первичной. В этом случае значение деформации кривизны изменяется с положительного на отрицательное.

Четвертый тип мульды формируется при подработке с применением податливых целиков как на площади первичной, так и вторичной подработки. Общим для всех зон является то, что положительные значения безразмерной функции распределения кривизны приурочены к средине краевой части мульды, а отрицательные - к краям, что диаметрально отличается от стандартного распределения. Максимальные значения деформаций наклона и кривизны достигаются за период активной стадии процесса сдвижения и далее остаются неизменными.

Условия, определяющие тип формирования того или иного типа границы, приведены в таблице 27.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тенисон, Людмила Олеговна, 2012 год

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

2. Колбенков,С.П. Способы расчетов сдвижения земной поверхности при подземной выемке угольных пластов : Автореферат канд. дисс.- Л., 1955.

3. Колбенков,С.П. Аналитическое выражение типовых кривых сдвижения поверхности // Труды В НИМИ.- Сб. 43.- Л., 1961.

4. Медянцев,А.Н., Иофис,М.А., Мазурова,А.И. Графики распределения сдвижения и деформаций земной поверхности над горными выработками в Донбассе // Труды ВНИМИ.- Сб. 47.- Л., 1962.

5. Иофис, М.А. Прогнозирование деформаций земной поверхности, решения вопросов строительства и подработки сооружений в условиях Львовско-Волынского угольного бассейна: Автореферат канд. дисс.- Донецк, 1963.

6. Иофис,М.А. Расчет деформаций земной поверхности во Львовско-Волынском бассейне // Труды ВНИМИ.- Сб.50.- Л., 1963.

7. Петухов,И.А. Расчет сдвижения горных пород в условиях Челябинского угольного бассейна // Труды ВНИМИ.- Сб. ХХУП.-1953.

8. Акимов,А.Г. Определение величин угловых параметров сдвижения на рудных месторождениях // «Горный журнал».- 1965.- № 2.

9. Акимов,А.Г., Земисев,В.Н. и др. Сдвижение горных пород при подземной разработке угольных и сланцевых месторождений.- М.: Недра, 1970.

10. Короткое, М. В. Результаты наблюдений за сдвижением земной поверхности под влиянием каменноугольных разработок в Донбассе за 19291933 годы / ЦНИМБ У.- 1937.

11. Кузнецов,М.А., Акимов,А.Г. и др. Сдвижение горных пород на рудных месторождениях М.: «Недра», 1971.

12. Сдвижение горных пород и земной поверхности в главнейших угольных бассейнах СССР // Труды ВНИМИ.- Л., 1958.

13. Авершин, С.Г. Расчет сдвижения горных пород.- М.: Металлургиздат,1950.

14. Авершин.С.Г. К вопросу о направлениях в исследовании сдвижений пород // Уголь.- 1952.- №9.

15. Акимов,А.Г., Короткое,М.В. Современные методы расчета сдвижений и деформаций земной поверхности и способы охраны зданий и сооружений // Труды ВНИМИ.- Сб.76.- Л., 1970.

16. Земисев, В.Н. Расчеты деформаций горного массива.- М.:Недра, 1973.

17. Кратч, Г. С. Движение горных пород и защита подрабатываемых сооружений / Пер. с нем. под ред. Муллера, P.A., Петухова, И.А.- М.: Недра, 1978.

18. Турчанинов, И.А. Основы механики горных пород / Турчанинов, H.A., Иофис, М.А., Каспарьян, Э.В.-Л.: Недра, 1977.

19. Петухов, М.И. Теория защитных пластов / И.М.Петухов и др.- М.: Недра, 1976.

20. Сашурин, А.Д., Панжин, A.A. Масштабное техногенное воздействие горных разработок на участок литосферы // Научный проект Геомеханика Оп-Line.

21. Диагностика геомеханического состояния массива горных пород геодезическими методами // Научный проект Геомеханика On-Line.

22. Львова,A.B. Основные закономерности сдвижения земной поверхности при подземной разработке Калуш-Голынского Месторождения калийных солей: Автореферат канд. дисс.- Л.: 1975.

23. Указания по защите рудников от затопления и охране подрабатываемых объектов в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей (Технологический регламент).- Санкт-Петербург, 1957 г.

24. Указания по защите рудников от затопления и охране подрабатываемых объектов в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей (Технологический регламент).- Санкт-Петербург,. 1968 г.

25. Константинова, С.А. Некоторые методические подходы, применяемые для оценки геодинамической безопасности недр и земной поверхностипри эксплуатации Верхнекамского месторождения калийных солей // Маркшейдерия и недропользование.- 2006.-№ 2.

26. Константинова, С.А. Математическое моделирование в системе геодинамического мониторинга осваиваемых месторождений полезных ископаемых // Горный журнал,- 2008.-№ 6.

27. Константинова, С.А. Авария на первом Березниковском руднике: Некоторые результаты ретроспективного геомеханического анализа // Безопасность труда в промышленности.- 2008.- № 1.

28. Константинова, С.А. Некоторые результаты геомеханического анализа причин аварии на первом Березниковском руднике // Маркшейдерия и недропользование.- 2008.- № 2.

29. Варях, A.A., Телегина, Е.А., Шумихина, А.Ю. Расчет соляных междукамерных целиков в зонах опорного давления // Известия вузов. Горный журнал .-2009.-№3.

30. Ю.А.Кашников, С.Г.Ашихмин Механика горных пород при рахработке месторождений углеводородного сырья,- Недра ,2007

31. Акимов, А.Г. Влияние деформаций сдвига на горизонтальные сдвижения земной поверхности // Труды ВНИМИ.- Сб. 112.- Л., 1979.

32. Авершин, С.Г. Горные работы под сооружениями и водоемами .- Уг-летехиздат, 1954.

33. Земисев,В.Н. Расчет деформаций подработанной слоистой толщи при разработке пологих пластов: Автореферат канд. дисс.- JL, 1966.

34. Временные технические условия проектирования и строительства зданий и сооружений на угленосных площадях Донецкого угольного бассейна (ВТУ 01-58)/ ВТИ НИИСКАС и АН УССР.- Киев, 1958.

35. Временные технические условия проектирования и строительства зданий и сооружений на угленосных площадях Карагандинского угольного бассейна (ВТУ-01-60)/ Госстрой Казахской ССР.- Алма-Ата, 1960.

36. Иофис,М.А. Активизация сдвижений земной поверхности при совместном влиянии двух лав // Труды ВНИМИ.- Сб. 42.- 1961.

37. Кренев,Н.И. Активизация сдвижения горных пород и земной поверхности при разработке свиты пологопадающих пластов угля // Труды ДИИ.- Т. 45.-1959.

38. Медянцев,А.Н. Некоторые закономерности процесса сдвижения поверхности в Карагандинском каменноугольном бассейне: Автореферат канд. дисс,- Л., 1954.

39. Медянцев,А.Н., Иофис,М.А., Мазурова,А.И. Изучение влияния на земную поверхность и сооружения выемки одиночных и свиты пластов: Отчет / ВНИМИ.- Тема 3/25 за 1961 г.- Л., 1961.

40. Барсуков, КВ. Прогноз сдвижений и деформаций при многократных подработках земной поверхности // С.57 59.

41. Барсуков, КВ., Калентъева, Л.Г. Учет активизации процесса сдвижения при планировании горных работ // Известия вузов. Горный журнал.- 1989.-№ 3, с.43 47.

42. Морин, C.B., Барсуков, КВ. О характере проявления деформаций и изменении напряженного состояния подработанного массива горных пород // Геомеханика в горном деле: Доклады международной конференции 5-8 июля.- Екатеринбург, 2005.

43. Морин,C.B., Барсуков,КВ. О характере проявления деформаций и изменении напряженного состояния подработанного массива горных пород// Геомеханика в горном деле / Доклады международной конференции 5-8 июля 2005 г.- Екатеринбург, 2005.

44. Барях, А.А., Телегина, Е.А., Шумилина, А.Ю. Расчет соляных междукамерных целиков в зонах опорного давления // Известия вузов. Горный журнал.- 2009.- № 3, с.20 27.

45. Телегина, Е.А. Прогноз развития оседаний земной поверхности при отработке свиты калийных пластов // Стратегия и процессы освоения георесурсов: Материалы научной сессии ГИ УрО РАН по результатам НИР в 2003 году, 19-23 апреля 2004 г.- Пермь, 2004.

46. Лобанов, С.Ю. Математическое моделирование реологических процессов в подработанных слоистых толщах: Автореферат дисс. канд. дисс.-Пермь, 2005.

47. Хронусов, В.В., Аникин, Н.Ф. Разработать методику по определению закономерностей нарастания оседаний, деформаций земной поверхности в зонах активизации процесса сдвижения: Отчет / ОАО «Галургия».- Дог. № 2.98/132С/01,этап 2,- Пермь, 2001.

48. Указания по защите рудников от затопления и охране подрабатываемых объектов в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей (Технологический регламент).- Санкт-Петербург, 2008.

49. Дополнение к разделу 7 «Инструкции.»,1994. «Расчет сдвижений и деформаций земной поверхности» (1-я редакция)- ОАО «Галургия», Пермь, 1999 г.

50. Дополнение к разделу 7 «Инструкции.»,2004. «Расчет сдвижений и деформаций земной поверхности» (1-я редакция)- ОАО «Галургия», Березники, 2006 г.

51. Муллер,Р.А. К расчету деформаций земной поверхности, вызванных горными работами // «Шахтное строительство».- 1959.- № 7.

52. Муллер,Р.А. Влияние горных выработок на деформацию земной поверхности.-М.: Углетехиздат, 1958.

53. Муллер,Р.А. Расчет сдвижения горных пород под влиянием подземных разработок при горизонтальном и пологом залегании пород // Труды ВНИМИ.- Сб. 31.- 1957.60 Иофис-2007

54. Обыденнова.Т.Н. Исследование деформаций налегающей толщи при повторной подработке земной поверхности на примере Старобинского месторождения калийных солей: Дис. канд. техн. наук.- М., 2003.- 150с.

55. Дешковский, В.Н. Методы расчета параметров, влияющих на высоту распространения водопроводящих трещин при отработке пологих пластов: Автореферат дисс. канд. техн. наук.- Минск, 2008.

56. Гришин, A.B. Разработка методики определения мест и величин опасных деформаций при их дискретном распределении в зоне влияния горных работ: Автореферат дисс. канд. техн. наук,- М., 2007.

57. Указания по допустимым условиям подработки эксплуатируемых зданий и сооружений на Верхнекамском месторождении калийных солей. -С.-Птб., 2008.