ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СТОХАСТИЧЕСКИХ ОТКЛОНЕНИЙ ОСЕДАНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ЕЁ ПОДРАБОТКЕ ОДИНОЧНОЙ ЛАВОЙ

Бугаева Н.А., Назимко В.В.
Донецкий национальный технический университет

Назад

Источник: ПРОБЛЕМИ ГІРСЬКОГО ТИСКУ. Випуск 16 / Під заг. ред. О.А. Мінаєва. – Донецьк, ДонНТУ, 2008. – 260 с.

Угольная промышленность является энергетической основой Украины, что обусловливает необходимость ее развития. Повышение интенсивности добычи угля и производительности очистных работ является главным требованием, которое предъявляет рыночная экономика к угольной промышленности нашей страны. Именно поэтому объемы добычи угля ежегодно возрастают и в ближайшей перспективе должны достичь 100 млн. тонн в год.

Подземная разработка месторождений полезных ископаемых сопровождается сдвижением массива горных пород и земной поверхности. Это вызвано опусканием толщи пород под силами тяжести в пустоты выработанного пространства. В итоге оседания толщи достигают земной поверхности, которые негативно влияют на сохранность искусственных и природных объектов, существовавших на земной поверхности до ведения очистных работ, либо возведенных после подработки поверхности.

Процесс сдвижения в осадочных толщах происходит, как правило, за пределом упругости. При этом влияние выемки угля на состояние земной поверхности отмечается даже при глубине разработки 1000 м и более. В процессе предсказания и оценки нарушенности земной поверхности присутствует некая неопределенность. В связи с этим возникают существенные погрешности при расчете параметров мульды сдвижений. Поэтому прогноз ожидаемых показателей сдвижений продолжает оставаться весьма актуальной задачей в связи с рядом нерешенных проблем. Одна из таких проблем связана с тем, что фактические распределения показателей сдвижений земной поверхности при ее подработке существенно отличаются от расчетных, которые определяются по стандартным методикам. К сожалению, большинство существующих методик рассматривают процесс сдвижения как детерминированный.

Так основные нормативные документы, применяемые в настоящее время в отечественной и зарубежной практике [1-4] для расчета ожидаемых оседаний и деформаций земной поверхности при ее подработке длинными очистными забоями определяют однозначное положение мульды и детерминированное значение параметров деформации в пространстве и не дают возможности установить диапазоны вероятного их разброса. Вместе с тем анализ известных на сегодня публикаций в отечественной и зарубежной литературе свидетельствует о существенных отклонениях фактически измеренных оседаний от расчетных. При этом отклонения носят случайных характер и не связаны с повреждениями наблюдательных станций или систематическими погрешностями. Несовпадение расчетных и измеренных показателей деформации земной поверхности носит не только количественный но и качественный характер. Так на участках, где согласно теории прогнозируется горизонтальное сжатие, наблюдаются растяжения, а вогнутость меняется на выпуклость земной поверхности, затронутой очистными работами.

Параметры деформационных и прочностных свойств реального массива горных пород определить точно невозможно. Основными причинами естественного случайного разброса величин модуля упругости, коэффициента Пуассона, сцепления и угла внутреннего трения массива горных пород является следующее:

1) погрешность испытаний;

2) неопределенность термодинамического состояния образца при его извлечении из массива горных пород и транспортировки в лабораторию, а также условия хранения образца до момента испытания;

3) масштабный фактор, который вносит максимальную неопределенность в прочностные и деформационные показатели массива горных пород.

Количественные показатели факторов, определяющих процесс сдвижения подрабатываемой толщи, имеют весьма большой разброс, распределения которого не симметричны и в большинстве случаев не противоречат логнормальному закону. Амплитуды разброса в таких случаях составляют от 285 до 550% в большую сторону и от 200 до 350% в меньшую сторону по отношению к моде этого показателя. В сумме разброс изменяется от 485 до 900%. Такой разброс показателей является основной причиной случайного разброса оседаний и деформаций земной поверхности относительно от расчетного детерминированного уровня.

С помощью стохастического численного моделирования на базовой модели метода конечных элементов установлены закономерности случайного разброса возможных величин оседаний земной поверхности над одиночным выработанным пространством. При этом показано, что несмотря на то, что средние оседания на границе мульды сдвижений равны нулю, величина разброса этих оседаний остается на уровне 25% от максимальных оседаний в центре мульды сдвижений. Доказано, что прочностные показатели массива горных пород вносят основной вклад в разброс величин оседаний. При этом амплитуда разброса возможных оседаний в центре мульды всегда больше чем размах отклонений возможных оседаний на границе мульды. При вариации деформационных свойств массива горных пород амплитуда разброса возможных оседаний в центре мульды больше размаха возможных отклонений на границе мульды только в 2-3 раза, тогда как при вариации прочностных показателей массива горных пород указанные амплитуды разнятся на порядок.

Установлено, что разброс возможных величин оседаний ?S согласуется с нормальным законом распределения случайной величины, а границы доверительного интервала разброса имеют S-образную форму вдоль мульды сдвижений и с надежностью 99% описываются экспоненциальной эмпирической зависимостью S = ±0,51exp(-x2/0,22)+0,25, где х означает расстояние от центра мульды в метрах. На основании установленной зависимости амплитуды разброса возможных величин оседаний вдоль мульды сдвижений предложена усовершенствованная методика определения расчетных оседаний путем введения поправки в ожидаемые величины сдвижений в виде двустороннего разброса вместо использования одностороннего коэффициента перегрузки. Такой подход повышает надежность определения величин оседаний и деформаций земной поверхности при ее подработке длинными очистными забоями.

Литература

  1. 1. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. – М.: Недра, 1981. – 288 с.
  2. Schenk Jan. Dynamism of spatial displacements of points based on in-situ measurements and dependence on geomechanical properties of the roof/ - Poland, Cracow. – 2000.
  3. Виттке В. Механика скальных пород: Пер. с нем. – М.: Недра, 1990. – 439 с.: ил.
  4. Chris Mark, Chief, Rock Mechanics Section NIOSH. 21st International Conference on Ground Control in Mining – Lakeview Scanticon Resort & Conference Center, Morgantown, WV, USA, 2002. – 377 p.
  5. Шашенко А.Н., Сдвижкова Е.А., Кужель С.В. Масштабный эффект в горных породах. – Днепропетровск: АРТ-ПРЕСС, 2004. – 132 с.
  6. Mark, C. and Chane, F.C. Analysis of Retreat Mining Pillar Stability (ARMPS). Proceedings, New Technology for Coal Mine Ground Control in Retreat Mining, NIOSH IC 9446, 1997, pp. 17-34.
  7. Гавриленко Ю.Н., Папазов Н.М., Морозова Т.В. Динамика оседаний земной поверхности при большой глубине разработки и высокой скорости подвигания забоя // Проблеми гірського тиску.-Донецьк, ДонДТУ, 2000. - №4. - С. 108-119.
  8. Кратч Г. Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений; Пер. с нем. под ред. Р.А. Муллера и И.А. Петухова. – М.: Недра, 1978. – 496 с.
  9. Назаренко В.А. Влияние скорости подвигания очистного забоя на сдвижение земной поверхности / Науковий вісник НГА України. - №13, 2002. - С. 16-20.
  10. Кулибаба Я.И. О возможном способе описания сдвижения горных пород при подземной разработке // Совершенствование технологии подземных горных работ: Научн. сообщения / Ин-т горного дела им. А.А. Скочинского. – 1984. – Вып. 227. – С. 97-104.
  11. Peng S.S. Surface subsidence engineering. – Littleton: - SMME. – 1992. – 160 p.
  12. 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.
  13. Гавриленко Ю.Н., Петрушин А.Е. Мульда сдвижения при подработке продольных и поперечных разрывных тектонических нарушений пологими угольными пластами / Проблеми гірського тиску . - 2002. – №7. - с.175-190.
  14. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. – М.: Едиториал УРСС, 2003. – 272 с.
  15. Защитные пласты/под ред. И.М. Петухова. – Л. Недра, 1972.
  16. Филин А.П. Прикладная механика твердого деформируемого тела. – М. Наука, 1975.

Назад