RUS| UKR | FRA |ДонНТУ | Портал магистров ДонНТУ

Яремчук Екатерина Викторовна

 Факультет:   Горно-геологический

 Cпециальность:  «Маркшейдерское дело»

Тема выпускной работы:

«Установление закономерностей распределения разброса деформаций земной поверхности вдоль мульды сдвигов над одиночной лавой»

Научный руководитель: проф. д.т.н. Назимко Виктор Викторович

Содержание работы :

1. Введение:

-актуальность темы

-цель и задачи работы

-основная идея работы и объект исследований

-научная новизна и практическая полезность

-предмет и метод исследований

2. Обзорная информация:

-локальная новизна

-новизна в пределах Украины

-мировая новизна

3.Основное содержание работы:

4.Заключение:

Литература

Введение

Актуальность темы

При отработке подземных месторождений твердых ископаемых происходит сдвижение земной поверхности, которое представляет опасность для наземных сооружений. При этом происходит разрушение наносов и грунта, зданий и сооружений, нарушение равновесия природных объектов, подтопление лесных массивов или исчезновение водных объектов. В связи с этим актуальной задачей является прогнозирование параметров сдвижений основными из которых являются: оседания, наклоны, горизонтальные деформации и кривизна. Однако существующие методы прогноза ориентированы на детерминированный характер процесса сдвижений. При этом в качестве исходных данных принимаются постоянные определенные величины деформационных и прочностных показателей подрабатываемого массива горных пород. В результате получают вполне определённые величины сдвижений и деформаций. Однако вследствие различных неоднородностей в массиве горных пород возникают случайные отклонения оседаний и деформаций от детерминированных распределений вдоль мульды сдвижения.

Вместе с тем деформационные и прочностные показатели горных пород невозможно определить достоверно, а естественный случайный разброс указанных параметров составляет порядка 100% от их среднего значения. Это в свою очередь порождает неопределенность результатов расчета параметров сдвижений . На сегодняшний день не исследованы закономерности разброса параметров сдвижений вдоль мульды в зависимости от неопределенности физико-механических свойств горных пород. Таким образом, оценка величины разброса оседаний и деформаций земной поверхности является актуальной проблемой.

Цель и задачи работы

Цель данной работы заключается в установлении закономерностей распределения разброса деформаций земной поверхности вдоль мульды сдвижений над одиночной лавой.

Основная идея работы и объект исследований

Основная идея работы заключается в использовании зависимости случайного отклонения величин деформации земной поверхности от положения относительно центра мульды.

Объектом исследований является процесс сдвижений земной поверхности, подверженной сдвижению под влиянием ведения очистных работ.

Научная новизна и практическая полезность

Научная новизна. Случайные отклонения наклонов и горизонтальных деформаций земной поверхности изменяются вдоль мульды согласно обратной экспонициальной зависимости ( с параметрами А= 0,002303, В= 0,207462, С= 0,001423) и имеют максимум в центре мульды.

Практическая полезность заключается в обосновании поправочных коэффициентов используемых при вычислении ожидаемого показателя суммарной деформации земной поверхности. Благодаря этому повышается достоверность расчета поврежденности объектов попадающих в зону влияния подработки.

Предмет и метод исследований

Предметом исследований являются параметры зоны сдвижений и деформаций земной поверхности.

Методы исследований. Метод стохастического моделирования для определения случайных величин сдвижений и деформаций земной поверхности; теория вероятности и математическая статистика для определения параметров разброса деформаций вдоль мульды сдвижений.

Обзорная информация

Локальная новизна

На данный момент вопросами процесса сдвижений и деформаций земной поверхности в результате ведения горных работ занимается Донецкий национальный технический университет[1,2,3]. Активно процессами сдвижения и деформации горных пород и земной поверхности занимается академик Академии горных наук Гавриленко Ю. Н.[4], изучающий сдвижение горных пород и земной поверхности в слоистом массиве нарушенном пликативными и дизъюнктивными структурами. Петрушин А.Г.[5] также рассматривал сдвижение земной поверхности на объемной модели.

Новизна в пределах Украины

На территории Украины данным вопросом занимаются кафедры маркшейдерского дела Донецкого Национального Технического Университета и Днепропетровского Национального Горного Университета[6,7], научно-исследовательский институт УкрНИМИ[8,9] и Донбасский горно-металлургический институт[10].

Изучением характера развития процесса сдвижения при подработке земной поверхности в Донбассе занимались такие исследователи, как В.И. Коваленко, В.М. Земисев, Ю.Б. Файнштейн, Ю.М. Гавриленко Назаренко В. А., А.Н. Мурашов и Питаленко Е. И.,Ларченко , др.

Основным нормативным документом для расчета ожидаемых оседаний и деформаций земной поверхности на сегодняшний день являются «Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях»[11].

В УкрНИМИ разрабатывается новый документ для обеспечения безопасного ведения горных работ под объектами, расположенными на земной поверхности.

Во всех указанных исследованиях мульда сдвижения также рассматривается как детерминированная[13].

Мировая новизна

В зарубежной практике обобщение закономерностей распределения погрешностей оседаний и деформаций земной поверхности почти не встречается. Чаще всего оценка погрешностей имеет узко ориентированную практическую направленность и заключается в сравнении расчетных показателей сдвижения и фактически измеренных для конкретных экспериментальных участков без обобщения. При разработке угольных месторождений Германии применяется методология, которая, по сути аналогична применяемой в «Правилах охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях»[11]. Это означает, что немецкие специалисты рассматривают параметры мульды сдвижений как детерминированные и не учитывают возможный диапазон их случайного разброса. На шахтах Великобритании используют эмпирическую методику расчета ожидаемых показателей сдвижений, которая получена на основании статистической обработки большой базы данных натурных наблюдений. Не смотря на это, конечные результаты расчетов представляются также детерминированными, а их стохастическая природа не учитывается.

На шахтах США и Австралии часто применяют несколько конкурирующих методик, которые основаны на той, или иной модели деформированной среды (методы конечных, граничных или дискретных элементов, методы конечных разностей, эмпирические методы). При этом встречаются публикации в которых оценивается разброс фактических показателей сдвижений и деформаций от ожидаемых, рассчитанных на детерминированной основе. Однако закономерности этого разброса не обобщаются[17,18].

Основное содержание работы

Первая часть работы посвящена определению параметров деформаций по стохастическим мульдам оседания. Для этого выбираем объект исследований и обосновываем исходные данные на которых проводятся исследования. В качестве объекта используется массив горных пород подработанный одиночной лавой при горизонтальном залегании пород. Это связано стем, что исследования показателей случайного разброса величин оседаний деформаций земной поверхности осуществляется впервые . Исходными параметрами для расчета сдвижений и деформаций земной поверхности являются:

- величина максимального горизонтального сдвижения;

- величина максимального оседания;

- граничные углы;

- угол максимального оседания (при неполной подработке);

- углы полных сдвижений (при полной подработке);

При неполной подработке длины полумульд L1, L2, L3 определяются по граничным углам и углу максимального оседания , а при полной подработке по углам полных сдвижений .

Для решения данной задачи были приняты средние горно-геологические и горно-технические условия. Для Донбасса эти показатели характеризуются мощностью угольного пласта составляющего около 1,7 м, породами средней обрушаемости, класса А1, А2. Породы представлены перемежающимися слоями алевролитов и песчаников средней прочности. Залегание пород пологое. Прочность пород в пределах 40-70 МПа. Породы умеренно обводненные. Способ управления кровлей осуществляется путем её полного обрушения. Угольный пласт отрабатывается по столбовой системе разработки, скоростьподвигания лавы 100-150 м/мес[15].

На Рис. 1- Показаны в виде анимации пример влияния деформаций на земную поверхность в результате ведения горных работ по добыче полезного ископаемого[1].

Анимация 1- Распределение деформаций в массиве горных пород (Анимированный рисунок: число кадров - 6, время демонстрации - 15 секунд, количество повторений - 4, объем - 104 кб)

Методика выполнения стохастической обработки результатов

На этом рисунке показан набор возможных двадцати двух реализаций мульды сдвижений при случайном отклонений всех показателей механических свойств вмещающих пород. По этим данным были получены отклонения деформации земной поверхности от средне статистического ( детерминированного) уровня. Случайные отклонения оседаний исследовались при вариации коэффициента Пуассона, модуля упругости, угла внутреннего трения и сцепления. Полученные результаты использовались в качестве исходных данных для дальнейшей обработки, которая выполнялась в качестве научно-исследовательской работы

На основании этого получены наклоны при случайной вариации показателей всех прочностных свойств горных пород : модуля упругости, коэффициента Пуассона, угла внутреннего трения, сцепления.

Рис. 2- Распределение стохастических отклонений наклонов вдоль

мульды при случайной вариации модуля упругости

Оказалось, что в любом сечении мульды распределение отклонения наклонов и деформаций не противоречат нормальному закону (Рис. 3)

Рис.3- Распределение случайных отклонений величин наклонов от детерминированного значения на расстоянии 95м от центра мульды сдвижений

На основании обработки данных анализа получены огибающие величин разброса наклонов и деформаций при вариации модуля, коэффициента Пуассона, сцепления, угла внутреннего трения. Оказалось, что разброс показателей деформаций земной поверхности в несколько раз больше при вариации прочностных показателей пород по сравнению с вариацией деформационных.

На рисунке 4 приведена итоговая огибающая разброса наклонов и деформаций при вариации всех механических показателей горных пород.

Рис.4- Огибающая случайных отклонений наклонов и деформаций отдетерминированного уровня в полумульде сдвижений (пунктир 1СКО, сплошная 2СКО)

Видно, что в центре мульды разброс имеет максимальное значение и уменьшается к ее периферии. Огибающая имеет колокообразную форму и описывается обратной экспонициальной зависимостью. Следует обратить внимание на то, что даже на границах мульды сдвижений разброс величин наклона имеет существенное значение (25%) от максимального значения. С физической точки зрения это закономерно и означает , что даже границу мульды сдвижений в плане спрогнозировать достоверно невозможно.

Полученное распределение рекомендуется использовать при вычислении расчетных величин наклонов и деформаций земной поверхности. Важно подчеркнуть, что в этом случае вместо детерминированного распределения в виде кривой линии вдоль мульды сдвижения мы получим полосу возможных значений наклонов и деформаций. Это означает, что в любом сечении мульды возможная величина наклонов и деформаций будет неоднозначна. Более того, на отдельных участках мульды может быть неоднозначным и знак наклонов и деформаций. Из этого вытекает,что прогноз деформаций земной поверхности необходимо осуществлять по принципу возможных сценариев. Например, необходимо дать оценку деформаций по верхней огибающей, нижней и по детерминированному уровню. После этого находят наиболее благоприятные и наименее благоприятные варианты деформаций и оценивают вероятность их реализаций. Таким образом, известные методики прогноза величин деформаций земной поверхности необходимо существенно скорректировать.

Заключение

Распределение случайных отклонений наклонов и деформаций земной поверхности в любом сечении мульды не противоречат нормальному закону.

Амплитуда разброса параметров деформации уменьшается от центра мульды к ее границам.

Установлена колокообразная форма огибающей случайного разброса параметров деформации земной поверхности. Огибающая описывается обратной экспонициальной зависимостью, где Х безразмерная координата мульды сдвижения .

На основании выполненных исследований вводится поправка в детерминированное значение деформаций за стохастичность физико-механических свойств коренного массива горных пород и наносов.

Литература

1. Оглоблин Д.Н., Герасименко Г.И., Акимов А.Г., Маркшейдерское дело: Учебник для вузов/ . – 3-е изд. перераб. и доп.-М.: Недра, 1981 г. 704 с.
2. Музафаров Ф.И. Исследование общих закономерностей процесса сдвижения толщи горных пород и земной поверхности методом объемных моделей для условий разработки пологих пластов Донбасса: Дисс…канд. Техн. Наук:05,15,02,/ДПИ. – Донецк.: 1965 г. – 32 с.
3. Зоря Н.М., Музафаров Ф.И. Схема механизма сдвижения толщи пород при выемке пологих пластов угля одиночной лавой // Уголь Украины. – 1966 г. – № 12. – С. 9-12.
4. Гавриленко Ю.Н. Исследование факторов, влияющих на деформации земной поверхности, при подработке разрывных нарушений пологими пластами/Горно-металургические проблемы Донбасса/ Под общ. Ред. А.А. Минаева. – Донецк,1995 г. – 102 с.
5. Гавриленко Ю.Н., Петрушин А.Г. Мульда сдвижения при подработке продольных и поперечных разрывных тектонических нарушений пологими угольными пластами/ПРОБЛЕМИ ГІРСЬКОГО ТИСКУ. Випуск 7/ Під заг. Ред. О.А. Мінаєва. – Донецьк, ДонНТУ, 2002 г. – 239 с.
6. Новикова Л.В., Заславская Л.И., Яворский А.В. Определение деформаций земной поверхности подрабатываемого массива методом граничных элементов/ ПРОБЛЕМИ ГІРСЬКОГО ТИСКУ. Випуск 14/ Під заг. Ред. О.А. Мінаєва. – Донецьк, ДонНТУ, 2006 г. – 301 с.
7. Назаренко В.А. Влияние скорости подвигания очистного забоя на сдвижение земной поверхности / Науковий вісник НГА України. - №13, 2002 г. - С. 16-20.
8. Кулибаба С.Б. Анализ распределения оседаний земной поверхности в краевой части мульды сдвижения/ ПРОБЛЕМИ ГІРСЬКОГО ТИСКУ. Випуск 10/ Під заг. Ред. О.А. Мінаєва. – Донецьк.: ДонНТУ, 2003 г. – 227 с.
9. Васютина В.В., Питаленко Е.И., Стариков А.П. Параметры проявлений горного давления в квершлагах при надработке щитовыми агрегатми /Випуск 14/ Під заг. Ред. О.А. Мінаєва. – Донецьк.: ДонНТУ, 2006 г. – 301 с.
10. Ларченко В.Г. Закономерности горизонтальных сдвижений и деформаций земной поверхности над движущимся очистным забоем // Разработка месторождений полезных ископаемых. – К.: Техника. – 1986 г. – №79.
11. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. – М.: Недра, 1981 г. – 288 с.
12. Акимов А.Г., Земисев В.Н., Кацнельсон Н.Н. и др. Сдвижение горных пород при подземной разработке угольных и сланцевых месторождений. – М.: Недра, 1970 г. – 224 c.
13. Кратч Г. Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений; Пер. с нем. под ред. Р.А. Муллера и И.А. Петухова. – М.: Недра, 1978 г. – 496 с.
14. Чепенко Л.П. Отчет диссертации по теме «Разработать и внедрить методы расчета деформаций и сдвижений горных пород при разработке угольных пластов на больших глубинах и при нарушенном залегании с целью обеспечения охраны подрабатываемых сооружений и водных объектов и уменьшения потерь в недрах». - Украинский филиал Всесоюзного научно-исследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела (ВНИМИ), 1977 г. – 113 с.
15. Бугаёва Н.А., Назимко В.В. ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СТОХАСТИЧЕСКИХ ОТКЛОНЕНИЙ ОСЕДАНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ЕЁ ПОДРАБОТКЕ ОДИНОЧНОЙ ЛАВОЙ" ПРОБЛЕМИ ГІРСЬКОГО ТИСКУ. Випуск 16 / Під заг. ред. О.А. Мінаєва. – Донецьк.: ДонНТУ, 2008 г. – 260 с.
16. Бугара М.И. и Коломиец В.А. Влияние неоднородностей распределения физико-механических свойств массива на стохастичность оседания земной поверхности ПРОБЛЕМИ ГІРСЬКОГО ТИСКУ. Випуск 6/ Під заг. Ред. О.А. Мінаєва. – Донецьк.: ДонНТУ, 2001 г. – 178 с.
17. Коломиец В.А., Назимко В.В., Сажнев В.П. Разработка метода оценки разброса параметров сдвижений земной поверхности ПРОБЛЕМИ ГІРСЬКОГО ТИСКУ. Випуск 13/ Під заг. Ред. О.А. Мінаєва. – Донецьк.: ДонНТУ, 2005 г.
18. Вентцель Е.С.Теория вероятностей М., 1969 г., 576 стр.

19. Бугаева Н.А. Установление закономерностей и показателей разброса механических (прочностных и деформационных) свойств массива горных пород в зонах влияния нарушений

    http://masters.donntu.ru/2008/ggeo/bugayova/diss/index.htm

RUS| UKR | FRA | ДонНТУ | Портал магистров ДонНТУ ||

Главная | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | | Орган- король инструментов