Возрастающая потребность в угле приводит к необходимости разрабатывать угольные пласты в сложных горно-геологических условиях, а также вести их разработку на больших глубинах. Подземная разработка месторождений полезных ископаемых сопровождается сдвижением массива горных пород и земной поверхности. Это вызвано в результате заполнения выработанного пространства. В зоне влияния выработанного пространства происходит оседание земной поверхности, которое негативно влияет на сохранность искусственных и природных объектов, существующих на земной поверхности до ведения очистных работ, либо возведенных после подработки поверхности. При этом влияние выемки угля на состояние земной поверхности отмечается даже при глубине извлечения угля 1000 м и более. Естественно, что вследствие различных неоднородностей в массиве возникает ситуация, когда нельзя достоверно установить возможные сдвижения земной поверхности. В случае предсказания и оценки нарушенности земной поверхности неопределенность связана с недопустимо большими погрешностями расчетов 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 ожидаемых, которые определяются по стандартным методикам. К сожалению большинство существующих методик рассматривают процесс сдвижения как детерминированный. В свою очередь знание ожидаемых величин оседаний и деформаций земной поверхности позволит планировать ведение горных работ так, чтобы в результате получить меньшие затраты на ликвидацию последствий либо разрабатывать более эффективные мероприятия по охране сооружений на земной поверхности.

На расчет параметров сдвижений влияют две основные группы факторов: геометрические факторы (колебания вынимаемой мощности пласта, его угла залегания, неправильность формы выработанного пространства, недостоверность знаний о параметрах дизъюктивных и пликативных нарушений) и физико-механические параметры (неоднородность прочностных и деформационных свойств массива, неоднородность трещиноватости, влажности массива и др.).

Исходя из этого, очень важным является изучение физико-механических свойств массива горных пород и установление их влияния на ожидаемые параметры мульды сдвижения.

Чаще всего для решения таких задач используют метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод граничных элементов, метод дискретных элементов. Все указанные методы дают на сегодняшний день детерминированную оценку величин оседаний и деформаций земной поверхности. Во всех случаях достоверность результатов прогноза проверяется путем сравнения расчетных показателей сдвижений с измеренными фактическими в натурных условиях. В большинстве случаев исследователи пытаются объяснять случайные отклонения расчетных величин показателей сдвижения от фактических измеренных погрешностями методики измерений, и, в частности, влиянием расстояния между реперами на результаты определения таких производных оседания, как наклоны, кривизна и так далее. Данная тема работы была выбрана для совершенствования методики учета естественного разброса показателей сдвижений и деформаций земной поверхности.

Из вышесказанного вытекает цель данной работы, которая заключается в установлении закономерностей и показателей разброса механических (прочностных и деформационных) свойств массива горных пород.

На сегодняшний день установлена зависимость граничных угловых параметров сдвижения земной поверхности от глубины разработки угольного пласта; установлена зависимость деформаций фундаментов подрабатываемых сооружений от их размеров и расположения в зонах влияния очистной выработки; уточнена методика расчета ожидаемых сооружений и деформаций земной поверхности для современных условий разработки, но это всё проделано без учета разброса показателей сдвижений и деформаций земной поверхности.

В данной работе впервые исследуется отдельное влияние стохастичности деформационных, прочностных свойств горных пород и их совместное влияние на параметры мульды сдвижений в окрестности одиночной лавы.

В результате будут установлены закономерности распределения разброса параметров сдвижения относительно центра мульды сдвижения, что позволит повысить достоверность прогноза параметров сдвижения, за счет использования поправочных коэффициентов, учитывающих стохастическую природу прочности горных пород.

Донецкий Национальный Технический Университет является одной из ведущих научных организаций, которая традиционно занимается процессами сдвижений массива горных пород под воздействием очистных работ. Кафедрой маркшейдерского дела им. проф. Оглоблина Д.Н. ещё в 60-х годах 20 века выполнены фундаментальные исследования параметров схемы сдвижений вокруг действующего очистного забоя [1, 2, 3].

В последнее время активно процессами сдвижения занимается проф. Гавриленко Ю.Н. [4], который исследовал влияние нарушений на изменение параметров мульды сдвижения, Петрушин А.Г.[5], который рассматривал сдвижение земной поверхности на объемной модели, Грищенков Н.Н.

Все существующие исследования рассматривают мульду как детерминированную, т.е. определяемую со 100%-ной вероятностью. И зависимыми только от таких параметров как: вынимаемая мощность угольного пласта, глубина разработки, угол падения пласта, размеры выработанного пространства, стратиграфическое строение горных пород и их механические свойства, скорость подвигания лавы, способ управления кровлей, конфигурация выработанного пространства и др.

Общим недостатком всех указанных подходов является то, что все исходные факторы рассматриваются как детерминированные.

Однако практика показывает, что расчетные оседания отличаются от фактически измеренных на 30-50% и более. Фактические деформационные параметры сдвижения, такие как наклоны, кривизна, горизонтальные деформации отличаются от расчетных на 100% и более, а часто и не совпадают по знаку и направлению.

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-металургический институт [10].

Достаточно давно этими вопросами занимались Земисев В.Н. и Мурашов А.Н.. В «Правила…» [11] естественный разброс учитывается так называемыми коэффициентами перегрузки при определении расчетных величин сдвижений. Эти поправочные коэффициенты получены по данным Земисева В.Н. и Мурашова А.Н. в результате экспериментальной оценки погрешности расчета деформаций [12].

В настоящее время основным нормативным документом для расчета ожидаемых оседаний и деформаций земной поверхности, являются «Правила…» [11]. В УкрНИМИ разрабатывается новый документ для обеспечения безопасного ведения горных работ под объектами, расположенными на земной поверхности.

Все цитируемые работы рассматривают мульду сдвижения как детерминированную.

В западной практике обобщение закономерностей распределения погрешностей почти не встречается. Чаще всего оценка погрешностей имеет узко ориентированную практическую направленность и заключается в сравнении расчетных показателей сдвижения и фактически измеренных. При разработке угольных месторождений Германии применяется методология по документу близкому к нашим «Правилам…» [11]. На шахтах Великобритании используют эмпирическую методику расчета ожидаемых показателей сдвижений, которая получена на основании статистической обработки большой базы данных натурных наблюдений. 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).

Мульду сдвижения как детерминированную также рассматривают немецкие исследователи [13].

В американском источнике [14] также рассматривается влияние горных работ на сдвижения земной поверхности. В данном документе регистрируется факт разброса параметров сдвижений земной поверхности.

В УкрНИМИ уже в конце 70-х годов прошлого века выполнен ряд работ по исследованию и инструментальной регистрации скачкообразного изменения деформационных параметров мульды сдвижения [15]. Исследователи считают, что этот разброс обусловлен выходом плоскостей ослабления под наносы, дискретным характером разрушения наносов и расстоянием между реперами.

В последнее время опубликован ряд работ, в которых в качестве одной из основных причин случайного отклонения фактических оседаний и деформационных параметров мульды сдвижения от расчетных принята стохастическая природа механических свойств горных пород [16, 17].

В данный момент проводится стохастическое моделирование. Используя метод конечных элементов модели, разбиваются на элементы. Для каждой из двух моделей отдельно проводится по 20 опытов, изменяя свойства пород в каждом элементе. Таким образом, получаем реальные мульды сдвижений для каждого опыта, сравниваем их с полученными раннее детерминированными мульдами и получаем разброс их параметров.

На анимации 1 приведена неупругая модель, на которой видно распределение деформаций в массиве горных пород, происходящие параллельно с оседанием земной поверхности. Анимация содержит 10 кадров с задержкой 0,5 сек, объем анимации 33,5 КБ.

Анимация 1 – Распределение деформаций в массиве горных пород.

В дальнейшем планируется проанализировать полученные результаты и выявить причину такого разброса параметров сдвижения. Также предложить методику использования полученных результатов на практике.

На данный момент по полученным результатам уже выполненной работы можно сделать вывод, что разброс параметров сдвижения земной поверхности присутствует в реальности, и его значение существенно влияет на выбор мероприятий по охране сооружений возведенных на подработанной земной поверхности. При этом максимальный разброс наблюдается над центром лавы, а на краевых частях он уменьшается. На рисунке 1 приведен результат стохастического моделирования для упругой модели.

Рис. 1 – График стохастического моделирования для упругой модели.

На рисунке видно, что как было указано раннее, разброс параметров имеет максимальные значения над центром лавы. Таким образом, образуется ограниченная симметричными параболами область разброса параметров сдвижения земной поверхности.