Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Содержание

Введение

Использование каменного угля человечеством берет начало в далеком прошлом, и продолжается до сих пор. Добыча каменного угля оказывает влияние на куда большее количество сфер человеческой деятельности чем может показаться на первый взгляд. Помимо тех благ которые приносит использование углеродов не стоит отбрасывать и негативные стороны, связанные с их отработкой. Одной из таких проблем является расширение территории которая входит в зону влияния очистных работ (запасы залегают под обширными территориями, значительная часть которых находится под населенными пунктами и промышленными сооружениями), а следовательно и увеличение количества подрабатываемых объектов. Однако действующая методика предусматривает расчет сдвижений и деформаций при закончившемся процессе сдвижения. Результаты расчетов не дают представления о развитии деформаций поверхности во времени и не учитывают различия развития деформаций на отдельных участках зоны влияния очистных работ. Этот факт стал причиной интереса многих исследователей к динамике процесса сдвижения.

Обеспечение безопасной подработки зданий, сооружений и природных объектов – одна из приоритетных задач маркшейдерии.

1. Актуальность темы

На сегодняшний день существует и широко используется методика прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности, которая представлена в Правила подработки зданий, сооружений и природных объектов при добыче угля подземным способом [1]. Данная методика позволяет вычислить сдвижения и деформации в любой точке мульды сдвижения на основании значений функций, которые были выведены Степаном Гавриловичем Авершиным по результатам многолетних измерений по профильным линиям на наблюдательных станциях. Также в действующих правилах описаны методики определения продолжительности процесса сдвижения земной поверхности, а также расчетную суточную скорость оседания, по значениям которой продолжительность и активную стадию процесса сдвижения определяют от одной горной выработки в зависимости от средней глубины разработки и скорости подвигания забоя.

Однако при подработке промышленных объектов, например таких как магистральные газопроводы, большое значение при выборе мер их охраны имеет не только значения деформаций, но и промежуток времени от начала ведения горных работ (влияющих на подрабатываемый объект) до того момента когда их значения равны допустимым значениям.

Данная работа направлена на определение зависимостей между величинами деформаций земной поверхности во времени, после активации процессов сдвижения, в определенной точке расположенной в пределах мульды сдвижения.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью работы является получение функциональных зависимостей по результатам инструментальных наблюдений по профильным линиям, их систематизация, а также представление их в форме удобной для использовании при расчетах проектов подработки, где имеет значение проявление допустимых значений по величине и времени относительно начала ведения горных работ, в программных средах, при расчете средств охраны для промышленных объектов.

Основные задачи исследования:

  1. Разработка программного обеспечения для автоматического построения графиков зависимости изменения значений деформаций за время протекания процесса сдвижения (от начальной стадии сдвижения до конца стадии затухания).
  2. Анализ полученных графиков функциональных зависимостей (фильтрация на предмет механического повреждения репера, что приводит к отклонению от типичной кривой зависимости).
  3. Получение значений непосредственно самих функций Δ=f(t).
  4. Получение значений функций Δ=f(t, Z), функции динамики сдвижения относительно точки начала координат ХУ.
  5. Статистическое усреднение и аппроксимация функций Δ=f(t, Z).

Объект исследования: деформации земной поверхности возникающие при ведения очистных робот.

Предмет исследования: установление функциональных зависимостей между значениями величин деформаций, находящихся в различных частях мульды в зависимости от времени.

3. Обзор исследований и разработок

Изучать динамику процесса сдвижения пород, а не фиксировать лишь конечные проявления этого процесса предложил С.Г. Авершин. Он же разработал методику таких исследований [5].

Петрук Евгений Григорьевич, в своей работе Управление деформационными процессами в динамической мульде сдвижения при подземной разработке пологих угольных пластов [6], описывает установленные закономерности развития деформаций земной поверхности во времени и пространстве под влиянием движущегося очистного забоя. Прогнозирование деформаций земной поверхности осуществляется на основе исследований деформационных процессов в динамической мульде сдвижения. Эти процессы реализуются во времени под влиянием движущегося очистного забоя в пределах технических границ выемочного участка. Развитие деформаций во времени происходит в три этапа: нарастание деформаций от нуля до максимального значения, уменьшение их от максимума до стабильной величины, или до нуля, последующая перемена знака в зависимости от расположения подрабатываемого участка (зоны) относительно границ горных работ.

Выявлению закономерности положены в основу комплексного методического подхода при разработке расчетных схем и определении параметров деформационных процессов и способов управления ими.

Впервые разработана модель расчета параметров деформационных процессов взаимодействия системы движущийся очистной забой – динамическая мульда с использованием пространственно-временной системы координат, при этом установлено, что компенсация деформаций разных знаков на земной поверхности в прогнозируемом плоском дне при разработке свиты пластов может быть произведена частично как по величина, так и по времени их воздействия.

Назаренко В. А., Стельмащук Е. В. изложили свои исследования в работе: Анализ хроноизолинейных моделей процесса сдвижения земной поверхности в условиях Западного Донбасса [7].

По результатам натурных инструментальных наблюдений разработана пространственно-временная модель формирования земной поверхности в мульды сдвижения для условий угольных шахт Западного Донбасса. Предложен новый тип изолиний, которые характеризуют время и место возникновения у мульды оседаний и наклонов определенной величины.

Хроноизолинейные модели оседания и наклонов земной поверхности характеризуют развитие мульды сдвижения на малоизученной стадии формирования. Изолинии моделей позволяют определять величины оседаний и наклонов поверхности и профиль мульды на любой произвольный момент времени, характеризующийся подвиганием очистного забоя от начала отработки лавы.

В монографии В. А. Назаренко и Н. В. Йощенко Закономерности развития максимальных оседаний и наклонов поверхности в мульде сдвижения [8] обобщены результаты исследований сдвижения земной поверхности на угольном месторождении Западного Донбасса. Приведенные закономерности формирование максимальных просадок и поклонов земной поверхности над очистной выработкой пологого угольного пласта. Изложены основы методики прогнозирование максимальных оседаний и поклонов, а также временных параметров сдвиги поверхности.

В результате получены сведения о перемещениях отдельных подрабатываемых точек поверхности и общие характеристики развития процесса сдвижения в сечениях мульды по направлению движения забоя. Эти знания легли в основу разработанных схем сдвижения горных пород и земной поверхности, а также многочисленных способов и методик прогнозирования влияния очистных работ на земную поверхность. Однако, известные схемы и методики расчета величин сдвижений и деформаций поверхности, как правило, применимы к условиям закончившегося процесса сдвижения. Динамические сдвижения и деформации по известным методикам могут быть рассчитаны только в той области мульды сдвижения, в которой процесс сдвижения является установившимся и стабильным.

Косвенные исследования в данном вопросе были проведены Национальным минерально-сырьевой университетом г. Санкт-Петербурга и опубликованы С. А. Толстунов и В. М. Онтиков в статье Влияние скорости подвигания очистного забоя на экологические последствия горных работ. В своем труде учеными была установлена зависимость скорости оседания земной поверхности от скорости подвигания очистного забоя [2].

В Украине некоторые зависимости в данном вопросе были изучены институтом геотехнической механики НАН Украины (М. С. Четверик, М. А. Синенко) [3].

Комплексные и целостные исследования в области выявления динамических зависимостей значений деформаций земной поверхности в зависимости от места расположения в пределах мульды сдвижения, на сегодняшний день также проводятся в НАН УкрНИМИ под руководством д. т. н. Грищенкова Н. Н.

4. Основное содержание работы

По результатам многолетних измерений по наблюдательным станциям, собранных в архивах Украинского государственного научно-исследовательского и проектно-конструкторского института горной геологии, геомеханики и маркшейдерского дела, отобраны данные по инструментальным измерениям на профильных линиях. Критерием отбора данных служило как можно большее количество проведение инструментальных наблюдений, данный критерий обусловлен получением более полных и надежных зависимостей динамики сдвижений. Все значения инструментальных наблюдений приведены в таблицах Microsoft , в которых представлены значения по оседаниям и горизонтальным сдвижениям по реперам расположенных на рассматриваемой профильной линии непосредственно на каждую дату проведения инструментальных наблюдений.

Пример исходных данных


Рисунок 1 – Пример исходных данных

Все дальнейшие манипуляции производятся непосредственно с данными таблицами.

При помощи встроенного в таблицы Microsoft Excel языка программирования VBA была написана программа для отбора требуемых данных (создание массива непосредственно по значениям деформаций на даты измерений) и построения по ним графиков. На данном этапе программа представляет собой бета-версию и предусматривает изменений в сторону унификации и полной автоматизации отбора данных. Полученные графики представляют собой функциональную зависимость величины деформации по времени, но требует дифференциации по месту расположения в границах мульды.

Диаграмма динамики деформаций по реперу


Рисунок 2 – Диаграмма динамики деформаций по реперу
(анимация: 5 кадров, 5 цыклов повторения, 140 килобайт),

На основании планов расположения профильных линий мы с легкостью можем определить расположение исследуемого репера относительно начала координат в зоне мульды сдвижения. Расположение осей Х, У аналогично при вычислении сдвижений и деформаций в любой точке мульды сдвижения [1]. Инструкцией [1] регламентируется, при определения расположения точки, разбиение длин полумульд на 10 отрезков, что соответствует нанесению на всю длину полумульды 11 точек, равноудаленных друг от друга. Отношение расположения исследуемого репера к тому или иному отрезку характеризуется величиной Z характеризующей отношение расстояния от репера до начала координат Х, У (по нормали) к длине полумульды.

Значений функции Z по профильной линии


Рисунок 3 – Значений функции Z по профильной линии

После дифференциации функций Δ=f(t) по Z при помощи статистических методов определяем значение функции Δ=f(t), которое наиболее точно описывает зависимости деформаций земной поверхности по времени, отдельно для каждого из 10 отрезков, тем самым получая значения функций Δ=f(t, Z). Использование параметра Z для определения относительного положения исследуемой точки было принято с целью упрощения методики расчета динамики сдвижений и деформаций и возможностью внедрения данных разработок в уже существующие программные модули расчетов сдвижений и деформаций. После чего эту функцию необходимо аппроксимировать.

Выводы

Магистерская работа посвящена актуальной научной задаче по определение зависимостей между величинами деформаций земной поверхности от времени их протекания и относительного расположения в пределах мульды сдвижения.

Результатом данной исследовательской работы является разработка действующей методики, позволяющей определять величины деформаций на любой момент времени, в произвольной точке, находящейся в пределах мульды сдвижения.

Исследования деформация под углом динамики их протекания повышает эффективность мер охраны инженерных сооружений, где важно учитывать не только величины деформаций но и их значения в определенный момент времени.

По окончанию теоретических исследований планируется проверить адекватность выполнения расчетов по полученным зависимостям, на реальных данных, по которым уже имеются результаты проектов подработки.

При написании данного автореферата работа еще не завершена. Окончательное завершение работы: декабрь 2015 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Правила подработки зданий, сооружений и природных объектов при добычи угля подземным способом.: Изд. офиц. – Донецк: ТОВ АЛАН, 2004. – 264 с. – (на рус. и укр. языках).
  2. Толстунов С. А. и Онтиков В. М. Влияние скорости подвигания очистного забоя на экологические последствия горных работ. – Санкт-Петербург.: Национального минерально-сырьевого университета, 2013. – с. 112–115.
  3. Четверик М. С., Синенко М. А. Изменение проявления горного давления при подземной выемке угля вследствие сдвижения массива горных пород. – Днепропетровск.: Институт геотехнической механики НАН Украины, 2012. – с. 246–254.
  4. Кноте С. Влияние времени на формирование мульды сдвижения. / Вопросы расчета сдвижений поверхности под влиянием горных разработок. М.,Углетехиздат, 1956.
  5. Авершин С. Г. Обработка и использование результатов наблюдений за сдвижением поверхности. – М.: Гос. научн.-техн. изд. нефтяной и горно-топл. лит., 1941.
  6. Петрук Е. Г. Управление деформационными процессами в динамической мульде сдвижения при подземной разработке пологих угольных пластов Днепропетровск – 1994.
  7. Назаренко В. А., Стельмащук Е. В. Анализ хроноизолинейных моделей процесса сдвижения земной поверхности в условиях западного донбасса (ГВУЗ НГУ, г. Днепропетровск, Украина Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 13 (частина I), 2013.
  8. Назаренко В. А., Йощенко Н. В. Закономерности развития максимальных оседаний и наклонов поверхности в мульде сдвижения Монография Днепропетровск ГВУЗ НГУ 2011.