1.1 Обзор исследований по теме в ДонНТУ
1.2 Обзор исследований по теме в Украине
1.3 Обзор исследований по теме глобальный (мировой)
Актуальность магистерской работы
Мезорельеф является характерным для большинства территорий Центрального района Донбасса и Восточного Донбасса, которые попали в зону влияния подземных очистных работ. В большинстве случаев наибольшие повреждения зданий, сооружений и инженерных коммуникаций наблюдаются на склонах мезорельефа. Поэтому исследования влияния наклонов мезорельефа на прогноз сдвижений и деформаций земной поверхности от подземных очистных работ являются актуальной и важной научно-технической задачей.
Цель и задачи магистерской работы
Цель работы — усовершенствование методики прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности от влияния подземной очистной выемки с учетом наклонов мезорельефа.
Задачи исследования:
1. Анализ существующих методов прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности от влияния подземной очистной выемки.
2. Анализ программных обеспечений расчета сдвижений и деформаций земной поверхности.
3. Анализ методов решения задач по цифровым моделям местности.
4. Разработка методики исследования влияния наклонов мезорельефа на точность прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности.
5. Разработка комплекса цифровых моделей местности и объектов (зданий, сооружений, инженерных коммуникаций).
6. Разработка программы определения угла падения мезорельефа в произвольном направлении по цифровой модели местности.
7. Разработка программы построения графиков деформаций земной поверхности на склонах мезорельефа.
8. Сравнительный анализ результатов расчетов деформаций земной поверхности с учетом наклонов мезорельефа с результатами расчетов, выполненных по действующей методики.
Идея работы
Идея работы заключается в использовании математической модели совместного сдвижения почвенного слоя и коренных пород, в которой внутренняя энергия в почвенном слое инициируется процессом оседания земной поверхности от влияния подземных горных работ.
Связь работы с научными программами
Работа производится согласно направлению многолетних научных исследований Донецким национальным техническим университетом кафедрой маркшейдерского дела, а также в связи с научными планами института УкрНИМИ НАН Украины.
Возможные результаты, которые ожидаются при выполнении работы, их новизна и значение
Будет усовершенствованна методика прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности от влияния подземной очистной выемки с учетом наклонов мезорельефа, повышенная достоверность и точность этого прогноза. Разработанное программное обеспечение будет использоваться при разработке проектов подработки зданий и сооружений подземными горными работами.
Запланирована апробация результатов (участие в конференциях, подача работ на конкурс, публикацию, подача заявок на изобретение и т.д.)
Доклад на научно-технической конференции; подача работы на конкурс. Запланированная публикация статьи в специальном научном сборнике.
Институт горного дела и геологии Донецкого национального технического университета является одной из ведущих научных организаций, которая занимается геомеханическими моделями сдвижения всей толщи горных пород над очистной выработкой; процессами, происходящими в массиве в результате ведения подземных горных работ.
Преподаватели кафедры маркшейдерского дела принимают участие в разработке нормативных документов.
На кафедре маркшейдерского дела вопросами изучения прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности на склонах мезорельефа от влияния подземных очистных работ занимаются д.т.н., проф. Грищенков Н.Н.
На территории Украины исследованиями процессов сдвижения и деформаций земной поверхности, происходящими в толще массива в результате ведения подземных горных работ занимается кафедра маркшейдерского дела Днепропетровского Национального Горного Университета.
Вопросами сдвижения и деформаций земной поверхности занимаются многие ученые из Российской Федерации.
– Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова.
– Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).
В первой части работы проведен обзор существующих методов расчета сдвижений и деформаций земной поверхности от влияния подземной очистной выемки. После анализа существующих методов можно сделать вывод, что эмпирические методы имеют некоторые преимущества перед методами, основанными на функциях влияния или теоретических моделях, так как базируются на данных непосредственных натурных измерений, а не на отвлеченных представлениях о механической модели горного массива и математических предпосылках.
Наибольшее распространение и развитие в нашей стране получил метод типовых кривых, который выполняется по нормативной методике [1]. Достоинством этой методики является то, что расчеты выполняются с использованием типовых функций распределения сдвижений и деформаций, установленных в результате анализа многочисленных экспериментальных наблюдений за сдвижением земной поверхности на угольных шахтах.
В настоящее время методика расчета деформаций земной поверхности достаточно определена в нормативном документе ?1?, а также в работах инструкции УкрНИМИ, посвященным этому вопросу. Для реализации компьютерных расчетов деформаций земной поверхности разработан ряд программных средств в институте УкрНИМИ и ДонНТУ (DEFO, MULDA, Подработка).
В своей магистерской работе я буду использовать программу "Подработка", которая позволяет производить расчеты ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности по любым направлениям, по сетке и для отдельных точек мульды сдвижения.
Многими исследователями было отмечено, что измеренные сдвижения поверхности, особенно горизонтальные сдвижения, в холмистых районах с крутыми откосами местности, отличаются от тех, что получены на плоской или умеренно всхолмленной поверхности.
Существует гипотеза, согласно которой дифференциальное сдвижение является совместным результатом сдвижения почвенного слоя и коренных пород, а внутренняя деформация в почвенном слое инициируется процессом оседания земной поверхности. На этой гипотезе основана математическая модель для прогноза с помощью метода функций влияния сдвижений и деформаций земной поверхности на местности с крутыми откосами [2]. Рассмотрим применение данной математической модели для прогноза сдвижений земной поверхности над прямоугольной очистной выработкой.
Функции влияния для оседания и горизонтального сдвижения по склону поверхности равны:
Сдвижения и деформации в главных сечениях
Значения наклона, кривизны и горизонтальных деформаций по склону мезорельефа в любой точке главного сечения мульды могут быть получены соответственно как:
Для определения частных производных используем метод статистического моделирования.
Сдвижения и деформации в произвольном направлении
Наклон, относительная деформация, конечная кривизна по склону поверхности в заданном направлении вычисляются по формуле:
Единственным дополнительным параметром, введенным в модель прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности в холмистых районах, является коэффициент пропорциональности G. Предполагается, что этот коэффициент является функцией угла естественного откоса, механических свойств и мощности почвенного слоя, растительности на поверхности и т.д. Для определения коэффициента G в работе [3] предложена диаграмма, основанная на эмпирических данных (рис. 2.2).
Главной задачей в магистерской работе является создание программных средств для определения угла падения мезорельефа в произвольном направлении по цифровой модели местности и для построения графиков деформаций земной поверхности на склонах мезорельефа. Программа разрабатывается на языке Visual Basic.
В магистерской работе представлена актуальная научная и практическая задача, заключающаяся в разработке методов расчета сдвижений и деформаций земной поверхности на склонах мезорельефа от влияния подземных очистных работ.
В существующей методике прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности от влияния подземных горных работ расчет деформаций осуществляется при фиксированной средней глубине разработки, т.е. для некоторой усредненной горизонтальной плоскости. Влияние мезорельефа местности при этом не учитывается.
На основе гипотезы о взаимосвязи сдвижения почвенного слоя и коренных пород вследствие протекания процесса сдвижения земной поверхности разработана математическая модель для прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности на местности с крутыми откосами, т.е. на склонах мезорельефа.
Установлены функции влияния для оседания и горизонтального сдвижения по склону поверхности. Предложен алгоритм вычисления сдвижений и деформаций по склону мезорельефа как в главных сечениях мульды сдвижения, так и в произвольном направлении.
В дальнейшем необходимо выполнить реализацию всех необходимых программ в среде Visual Basic.
Важное замечание
При написании данного автореферата работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2011 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или у руководителя после указанной даты.
1. ГСТУ 101.00159226.001 – 2003. Правила підробки будівель, споруд і природних об’єктів при видобуванні вугілля підземним способом. На зміну «Правил охраны…» (М.: Недра, 1981. – 288 с.); Введ. 01.01.2004.– К., 2004. – 128 с.
2. Peng, S.S. Surface Subsidence Engineering [Text] / Society for Mining, Metallurgy, and Exploration, Inc. – Ann Arbor: MI, 1992. – 161 p.
3. Knothe, S. Observations of Surface Movements Under Influence of Mining and Their Theoretical Interpretation [Text] / S. Knothe// Proceedings European Congress Ground Movement. – Leeds, UK, 1957. – P. 210-218.
4. Кратч, Г. Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений [Текст] / Г. Кратч; Пер. с нем./ под ред. Р.А. Муллера и И.А. Петухова. – М.: Недра, 1978. – 494 с.
5. Медянцев А.Н., Борщ-Компониец В.И Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках – М.: Недра, 1982, 278 c.
6. Побединский Г.Г. Программирование геодезических задач на языке бейсик.- М.: Недра, 1991, 96 c.
7. Оглоблин Д.Н., Герасименко Г.И., Акимов А.Г. и др. Маркшейдерское дело: Учебник для вузов – 3-е изд., перераб. и доп. М., «Недра», 1981. 704 с.
8. Авершин С.Г. Расчет сдвижений горных пород. - М.: Металлургиздат, 1950. - 60 с.
9. Гавриленко Ю.Н., ПапазовН.М., Морозова Т.В. Динамика оседаний земной поверхности при большой глубине разработки и высокой скорости подвигания забоя.
10. Борщ-Компониец В.И., Батугина И.М., Варлашкин В.М. Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках. - М.: Недра, 1984. - 247 с.