ДонНТУ   Портал магістрів

Кищенко Олена МиколаЇвна

Гірничо-геологічний факультет

Кафедра маркшейдерської справи

Спеціальність Маркшейдерскька справа

Дослідження кутових параметрів процесу зрушення і деформацій земної поверхні при відпрацюванні лав по діагональному до простягання напрямку

Науковий керівник: к.т.н., доц. Козловський Геннадій Гнатович

Резюме Біографія Реферат

Реферат

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і задачі магістерскої роботи
• 3. Огляд досліджень в світі
• 4. Огляд досліджень в Україні
• 5. Зміст роботи
• 5.1 Методика розрахунку очікуваних зрушень і деформацій земної поверхні
• 5.2 Мета і методика досліджень кутових параметрів процесу зрушеннь земної поверхні при відпрацюванні лави по діагональному до простягання пласта напрямку
• 5.3 Прогноз зрушень і деформацій земної поверхні при відпрацюванні лави по діагональному до простягання пласта напрямку в Ansys
• Висновки
• Список джерел

Вступ

Підземна розробка вугільних родовищ призводить до зрушень і деформацій земної поверхні і відповідно об'єктів, які потрапляють в зону підробки. Тому виїмка запасів вугілля під об'єктами здійснюється на основі проектів їх підробки гірничими роботами. Основним елементом цих проектів є прогноз осідань і деформацій земної поверхні, викликаних впливом гірничих робіт, і оцінка ступеня їх впливу на об'єкти, що охороняються.

Існуюча методика прогнозу зрушень і деформацій земної поверхні, заснована на методі типових одиничних кривих осідань, діє в нашій країні і за кордоном і є досить ефективним інструментом прогнозу. Вона увійшла в ряд нормативних документів, що є галузевими стандартами [1, 2, 3] і регламентуючих підробок об'єктів на земній поверхні. зазначена методика постійно розвивається і вдосконалюється в провідних наукових центрах гірської науки, зокрема в інституті УкрНІМІ НАН України, ДонНТУ, НДУ та ін [4].

1. Актуальність теми

При підземній розробці вугільних родовищ розраховуються зсування і деформації в головних перерізах мульди зрушення земної поверхні. Аналіз наявних літературних джерел показує, що питання процесу зрушень і деформацій при відпрацюванні лав по простяганню і назад простяганню досить добре освітлений, а при відпрацюванні лав по діагональному до простягання напрямках залишився мало вивченим. Тому дослідження кутових параметрів процесу зрушення і деформацій земної поверхні при діагональному відпрацюванні лави є актуальною і науково-технічною задачею.

2. Мета і задачі магістерскої роботи

Метою роботи є визначення кутових параметрів процесу зрушеннь і деформацій земної поверхні при відпрацюванні лав по діагональному до простягання напрямках.

Задачі дослідження:

– аналіз існуючих методик прогнозу зрушень і деформацій земної поверхні;

– розробка графічної методики визначення кутових параметрів процесу зрушеннь і деформацій земної поверхні при відпрацюванні лав по діагональному до простягання напрямках;

– пропозиція методики прогнозу зрушень і деформацій земної поверхні при відпрацюванні лав по діагональному до простягання напрямках графічним і аналітичним способами;

– прогноз зрушень і деформацій земної поверхні при відпрацюванні діагональної лави за допомогою програми Ansys.

Ідея роботи полягає в визначенні кутових параметрів лав по діагональному напрямку з метою використання їх при прогнозуванні зрушень і деформацій земної поверхні.

3. Огляд досліджень в світі

Дослідженнями з даної теми магістерської роботи в світі займаються кафедра маркшейдерської справи Санкт-Петербурзького державного Гірничого університету та інститут гірничої справи УрВ РАН і ряд навчальних заклад Польщі.

4. Огляд досліджень в Україні

Кафедра маркшейдерської справи Донецького національного технічного університету та Гірничого університету міста Дніпропетровська займаються дослідженнями процесів зрушеннь і деформацій земної поверхні при відпрацювання лави по діагональному до простягання пласта напрямку.

5 Зміст роботи

5.1 Методика розрахунку очікуваних зрушень і деформацій земної поверхні

Першою частиною магістерської роботи є аналіз літературних джерел та існуючих методик прогнозу зрушень і деформацій земної поверхні.

Вивчення зрушеннь гірських порід і охорони споруд передбачає найбільш повне і раціональне вилучення корисних копалин з надр. В основних гірничодобувних районах нашої країни значні запаси корисних копалин знаходяться під забудованими територіями. Для створення ефективних способів захисту був проведений комплекс дослідницьких робіт. Дослідження проводились шляхом інструментальних спостережень в натурних умовах на спеціально закладених станціях, моделювання на еквівалентних матеріалах. В ряді басейнів спостереження ведуться вже протягом десятки років. Узагальнення і аналіз обширного матеріалу спостережень дозволили виявити основні закономірності зрушення гірських порід і розробити методи розрахунку зрушень і деформацій земної поверхні, які отримали широке застосування.

Методи розрахунку, прийняті в нині, розроблені для умов, коли відоме розташування виробок в пластах (повна методика) і коли розташування виробок в пластах не відомо (спрощена методика). У першому випадку визначаються очікувані та розрахункові деформації, у другому випадку – ймовірні деформації.

Спрощена методика розрахунку дозволяє визначити максимальні деформації земної поверхні як при виїмці одного пласта, так і при розробці світи пластів. Існуючі методи розрахунку мають обмежену сферу застосування. Вони непридатні в особливо складних гірничо-геологічних і гірничотехнічних умовах: наявність в товщі диз'юнктивних геологічних порушень, складчасте залягання пластів, гористий рельєф, камерна система відпрацювання пластів і т.д.

Повна методика дозволяє визначити очікувані деформації земної поверхні в будь-якій точці мульди зрушення. В основу цієї методики покладені типові криві розподілу вертикальних зрушень. Існують теоретичні та емпіричні способи визначення типових кривих. Найбільшого поширення набули емпіричні типові криві, виведені безпосередньо з даних натурних спостережень і задані таблично, графічно і шляхом підбору апроксимуючих функцій. Метод типових кривих виявився найбільш зручним. Маючи дані натурних спостережень, можна просто отримати типові криві для конкретних гірничо-геологічних умов шахти чи району. При цьому формули для розрахунку зрушень і деформацій залишаються незмінними. На зрушення земної поверхні впливає багато факторів: глибина гірничих робіт, кути падіння пластів, потужність пластів, розміри виробок, фізико-механічні властивості гірських порід. Графіки при відповідній їх обробці виявляють загальні властивості в розподілі зрушень і деформацій. Ці загальні властивості виражаються в типових графіках вертикальних зрушень (осідань) і деформацій.

Одиничні криві не залежать ні від глибини гірничих робіт, ні від кутів падіння, ні від потужності пластів. Тому трансформація графіків в одиничні криві дозволяє спільно обробити дані спостережень по станціях і вивести середні одиничні криві, які й будуть типовими графіками вертикальних зрушень і деформацій [5].

В даній роботі розглянуто один з аспектів вдосконалення методики прогнозу зрушень і деформацій, пов'язаний з напрямком відпрацювання лави щодо простягання пласта.

В даний час прийнята методика рекомендує визначати зрушення і деформації земної поверхні по простяганню і вхрест простягання. При визначенні межі зони впливу гірничих виробок допускається згладжувати складний контур виробленої площі, якщо розміри виступів контуру в площині пласта не більше 0,2 Н (де Н – глибина залягання пласта на даній ділянці в метрах). Згладжування контуру виробки проводиться паралельно простяганню і падінню за принципом збереження площі гірничої виробки як показано на рисунку 1.

Методика розрахунку очікуваних зрушень і деформацій земної поверхні проводиться по нормативному документу «Правила підробки будівель, споруд та природних об'єктів при видобуванні вугілля підземним способом » [1].

5.2 Мета і методика досліджень кутових параметрів процесу зрушеннь земної поверхні при відпрацюванні лави по діагональному до простягання пласта напрямку

Розрахунок очікуваних зрушень і деформацій земної поверхні проводиться в будь-якій точці мульди зрушення. У мульди зрушення на земній поверхні розрізняють два головних перетину: по простяганню і вхрест простягання. Зазвичай спостереження за зрушенням земної поверхні проводять по реперам профільних ліній, розташованих у головних перерізах або поблизу головних перерізів мульди, паралельних їм. Спостереження на таких профільних лініях дозволяють визначити межі мульди зрушення в головних перерізах [5].

В даний час багато шахт відпрацьовують лави по діагональному до простягання пласта напрямку, тобто під кутом "є", як показано на рисунку 2. згідно [1]стосовно даної виробки повинні провести згладжування контуру паралельно простяганню і падінню за принципом збереження площі, тобто мульда зрушення також буде згладженою. Проте доцільно здійснювати розрахунок по простяганню і вхрест простягання пласта діагональної лави (по осях Х', У') (рисунок 2).

Тому робота полягає в розробці методики визначення кутових параметрів процесу зрушеннь і деформацій при переході від розрахунків вхрест і по простяганню до діагонального напрямку.

Вихідними параметрами для розрахунку зрушень і деформацій є:

– граничні кути в градусах;

– кут максимального осідання в градусах;

– кути повних зрушень в градусах;

– відносна величина максимального осідання;

– відносна величина максимального горизонтального зрушення.

На першому етапі виконали дослідження кутових параметрів одиночної лави при потужності пласта 2,5 м, середній глибині відпрацювання 800 м, куті падіння 45 градусів з утворенням плоского дна мульди (рисунок 3) [1].

где Н – середня глибина розробки, м;

D1, D2 – довжини очисної виробки відповідно вхрест і по простяганню, м;

а – кут падіння пласта, градус;

h – потужність наносів,м;

– граничні кути відповідно по простяганню, за повстання і по падінню, градус;

– граничний кут в наносах, градус;

– кути повних зрушень, градус.

З центру плоского дна провели лінії через 30 градусів (рисунок 4), розбили їх на точки через кожні 50 м і за допомогою програми «ПІДРОБОТКА» (версія 1.2) визначили деформації в цих точках.

Далі побудували графіки деформацій по кожній лінії для визначення кордонів мульди зрушень (рисунок 5).

Аналітичний розрахунок зрушень і деформацій у будь-якій точці мульди зрушення робимо за наступними формулами згідно рисунку 6:

– визначення осідання

– визначення нахилів

– визначення горизонтальних деформацій

де

– величина максимального осідання;

– величина нахилів по простяганню і вхрест простягання відповідно:

– значення горизонтальних деформацій по простяганню і вхрест простягання відповідно:

значення функції визначаємо по формулі:

– відносна величина максимального горизонтального зрушення;

– кут падіння пласта, град;

h и hм – потужність наносів і мезозойських відкладень, м;

Нср – середня глибина очисної виробки, м;

S(zх), S(zу), S'(zх), S'(zу), S''(zх), S''(zу) – функції типових кривих, що характеризують закономірність розподілу зрушень і деформацій у відповідній напівмульді. Значення S '(Zх) приймають негативними на ділянках, де х> 0, позитивними, де х<0. Значення S '(zу) приймають негативними в напівмульді за повстанням (у> 0) і позитивними в напівмульді по падінню (у<0);

– довжини напівмульд по падінню, за повстанням і по простяганню пласта відповідно;

– кут розвороту умовної системи координат щодо загальної системи [1].

5.3 Прогноз зрушень і деформацій земної поверхні при відпрацюванні лави по діагональному до простягання пласта напрямку в Ansys

Наступною частиною магістерської роботи є визначення зрушень і деформацій земної поверхні діагональної лави за допомогою програми Ansys (універсальна програмна система кінцево-елементного аналізу).

Товща гірничих порід до проведення гірничих виробок знаходиться в умовах природного напруженого стану, створюваного масою гірничих порід. Тиск, який припадає на одиницю площі в незайманому масиві, зазвичай прирівнюється масі вищерозміщеного стовпа (рисунок 7), тобто

де – середньозважене значення щільності порід, кг/м3;

Н – глибина розробки, м.

бокові складові вертикальної напруги будуть

де k<=1 – коефіцієнт бокового розпору.

Після проведення гірничої виробки у величині , що припадає на одиницю площі, відбувається переконцентрація напруг в деякій області масиву, прилеглого до виробки. При деякому видаленні від перетину виробки величини напруг приймають початкові значення.

Зростання напруги біля бокових стінок виробки (епюра 1) може викликати розчавлювання країв цілика і зрушення гірничих порід або корисної копалини в сторону виробки. При цьому максимум напружень зміщується вже на деяку відстань в сторону цілика (точки А і В епюри 2) [6].

Напружений стан в точці визначається сукупністю нормальних і дотичних напружень, які виникають в перерізах, проведених через цю точку.

Визначення об'ємного напруженого стану в будь-якому майданчику (рисунок 8) при відомих головних напругах обчисляеться за формулами:

де – кути між нормаллю до розглянутого майданчика та напрямками головних напружень.

Найбільша дотична напруга:.

Воно діє по майданчику паралельної головному напрузі і нахиленою під кутом 45 градусів до головних напруженнь и .

Плоский напружений стан – окремий випадок об'ємного і також може бути представлений трьома колами Мора (рисунок 9), при цьому одна з головних напруг має дорівнювати 0. Для дотичних напружень так само, як і при плоскому напруженому стані, діє закон парності: складові дотичних напружень по взаємно перпендикулярним майданчикам, перпендикулярні до лінії перетину цих майданчиків, рівні за величиною і зворотні у напрямку [7].

Дотичне напруження можна представити у вигляді лінійної залежності:

де с – зчеплення, Па;

– нормальні напруження, Па;

– абстрактний кут нахилу (кут внутрішнього тертя).

Висновки

У магістерській роботі представлена актуальна наукова та практична задача, що полягає в пропозиції методики прогнозу зрушень і деформацій земної поверхні при відпрацюванні лав по діагональному до простягання напрямках.

Надалі необхідно виконати всі розрахунки і провести аналіз для визначення відповідної методики визначення кутових параметрів процесу зрушення.

Список джерел

1. Правила подработки зданий, сооружений и природных объектов при добыче угля подземным способом. Официальное издание – К.: 2004. – 128 с.
2. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях: Утв. Госгортехнадзором РФ 16.06.98. – СПб., 1998. – 290 с.
3. ГСТУ 101.00159226.001-2003. Правила підробки будівель, споруд і природних об’єктів при видобуванні вугілля підземним способом: Введ. 01.01.2004. – Київ, 2004. – 128 с.
4. Грищенков Н.Н., Шнеер В.Р., Блинникова Е.В. Особенности мульды сдвижения и зон деформаций в ней при отработке наклонных угольных пластов. УДК 622.834(043)
5. Борщ-Компониец В.И., Батугина И.М., Варлашкин В.М. Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках. Под общей ред. проф., д-ра тех. наук Букринского В.А. и канд. техн. наук Орлова Г.В. М. Недра, 1984. 247 с.
6. Оглоблин Д.Н., Герасименко Г.И., Акимов А.Г. Маркшейдерское дело: Учебник для вузов/ 3-е изд., перераб и доп. М., «Недра», 1981. 704 с.
7. Расчет напряженного состояния. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://sm.teormex.net.

Важливе зауваження

При написанні даного реферату робота ще не завершена. Остаточне завершення - грудень 2012р. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або у наукового керівника роботи після зазначеної дати.