ДонНТУ   Портал магистров

Мухина Алена Сергеевна

Горно-геологический факультет

Кафедра маркшейдерского дела

Специальность «Маркшейдерское дело»

Исследование угловых параметров процесса сдвижений и деформаций земной поверхности в сечениях, связанных с направлениях отработки лав

Научный руководитель: к.т.н., доц. Козловский Геннадий Игнатьевич

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
• 3. Обзор исследований в мире
• 4. Обзор исследований в Украине
• 5. Содержание работы
• 5.1 Методика расчета ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности
• 5.2 Цель и методика исследований угловых параметров процесса сдвижений земной поверхности при отработке лавы по диагональному к простиранию пласта направлению
• 5.3 Прогноз сдвижений и деформаций земной поверхности при отработке лавы по диагональному к простиранию пласта направлению в Ansys
• 6. Заключение
• Список источников

Введение

Подземная разработка угольных месторождений приводит к сдвижениям и деформациям земной поверхности и соответственно объектов, которые попадают в зону подработки. Поэтому выемка запасов угля под объектами осуществляется на основе проектов их подработки горными работами. Основным элементом этих проектов является прогноз оседаний и деформаций земной поверхности, вызванных влиянием горных работ, и оценка степени их воздействия на охраняемые объекты.

Существующая методика прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности, основанная на методе типовых единичных кривых оседаний, действует в нашей стране и за рубежом и является достаточно эффективным инструментом прогноза. Она вошла в ряд нормативных документов, являющихся отраслевыми стандартами [1, 2, 3] и регламентирующих подработку объектов на земной поверхности. Указанная методика постоянно развивается и совершенствуется в ведущих научных центрах горной науки, в частности в институте УкрНИМИ НАН Украины, ДонНТУ, НГУ и др. [4].

1. Актуальность темы

При подземной разработке угольных месторождений рассчитываются сдвижения и деформации в главных сечениях мульды сдвижения земной поверхности. Анализ имеющихся литературных источников показывает, что вопрос процесса сдвижений и деформаций при отработке лав по простиранию и обратно простиранию достаточно хорошо освещен, а при отработке лав под любым другим углом, отличным от простирания, остался мало изученным. Поэтому исследование угловых параметров процесса сдвижений и деформаций земной поверхности в сечениях, связанных с направлением отработки лавы, является актуальной и научно-технической задачей.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью работы является определение угловых параметров процесса сдвижений и деформаций земной поверхности при отработке лав под углом, отличным от направления простирания пласта.

Задачи исследования:

1. Анализ существующих методик прогноза сдвижений и деформаций земной.
2. Разработка графической методики определения угловых параметров процесса сдвижений и деформаций земной поверхности в сечениях, связанных с направлением отработки лавы.
3. Предложение методики прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности при отработке лав под углом, отличным от направления простирания, графическим и аналитическим способами.
4. Прогноз сдвижений и деформаций земной поверхности в сечениях, не параллельных направлению простирания пласта помощью программы Ansys.
5. Разработка альтернативных вариантов основных этапов унифицированного процесса синтеза автоматов Мура и оценка их эффективности.

Идея работы заключается в определении угловых параметров в сечениях, связанны с направлением отработки лавы с целью использования их при прогнозировании сдвижений и деформаций земной поверхности.

3. Обзор исследований в мире

Исследованиями по данной теме магистерской работы в мире занимаются кафедра маркшейдерского дела Санкт-Петербургского государственного Горного университета и институт горного дела УрО РАН и ряд учебных заведение Польши.

4. Обзор исследований в Украине

Кафедра маркшейдерского дела Донецкого национального технического университета и Горного университета города Днепропетровска занимаются исследованиями процессов сдвижения и деформаций земной поверхности при отработке лавы по диагональному к простиранию пласта направлению.

5. Содержание работы

5.1 Методика расчета ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности

Первой частью магистерской работы является анализ литературных источников и существующих методик прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности.

Изучение сдвижения горных пород и охраны сооружений предусматривает наиболее полное и рациональное извлечение полезных ископаемых из недр. В основных горнодобывающих районах нашей страны значительные запасы полезных ископаемых находятся под застроенными территориями. Для создания эффективных способов защиты был проведен комплекс исследовательских работ. Исследования проводились путем инструментальных наблюдений в натурных условиях на специально заложенных станциях, моделирования на эквивалентных материалах. В ряде бассейнов наблюдения ведутся уже в течение десятков лет. Обобщение и анализ обширного материала наблюдений позволили выявить основные закономерности сдвижения горных пород и разработать методы расчета сдвижений и деформаций земной поверхности, получивших широкое применение.

Методы расчета, принятые в настоящее время, разработаны для условий, когда известно расположение выработок в пластах (полная методика) и когда расположение выработок в пластах не известно (упрощенная методика). В первом случае определяются ожидаемые и расчетные деформации, во втором случае – вероятные деформации.

Упрощенная методика расчета позволяет определить максимальные деформации земной поверхности как при выемке одного пласта, так и при разработке свиты пластов. Существующие методы расчета имеют ограниченную область применения. Они неприменимы в особо сложных горно-геологических и горнотехнических условиях: наличие в толще дизъюнктивных геологических нарушений, складчатое залегание пластов, гористый рельеф, камерная система отработки пластов и т.д.

Полная методика позволяет определить ожидаемые деформации земной поверхности в любой точке мульды сдвижения. В основу этой методики положены типовые кривые распределения вертикальных сдвижений. Существуют теоретические и эмпирические способы определения типовых кривых. Наибольшее распространение получили эмпирические типовые кривые, выведенные непосредственно из данных натурных наблюдений и заданные таблично, графически и путем подбора аппроксимирующих функций. Метод типовых кривых оказался наиболее удобным. Имея данные натурных наблюдений, можно просто получить типовые кривые для конкретных горно-геологических условий шахты или района. При этом формулы для расчета сдвижений и деформаций остаются неизменными. На сдвижение земной поверхности оказывают влияние многие факторы: глубина горных работ, углы падения пластов, мощность пластов, размеры выработок, физико-механические свойства горных пород. Графики при соответствующей их обработке обнаруживают общие свойства в распределении сдвижений и деформаций. Эти общие свойства выражаются в типовых графиках вертикальных сдвижений (оседаний) и деформаций.

Единичные кривые не зависят ни от глубины горных работ, ни от углов падения, ни от мощности пластов. Поэтому трансформация графиков в единичные кривые позволяет совместно обработать данные наблюдений по станциям и вывести средние единичные кривые, которые и будут являться типовыми графиками вертикальных сдвижений и деформаций [5].

В данной работе рассмотрен один из аспектов совершенствования методики прогноза сдвижений и деформаций, связанный с направлением отработки лавы относительно простирания пласта.

В настоящее время принятая методика рекомендует определять сдвижения и деформации земной поверхности по простиранию и вкрест простирания. При определении границы зоны влияния горных выработок допускается сглаживать сложный контур выработанной площади, если размеры выступов контура в плоскости пласта не более 0,2Н (где Н – глубина залегания пласта на данном участке в метрах). Сглаживание контура выработки производится параллельно простиранию и паданию по принципу сохранения площади горной выработки как показано на рисунке 1.

Методика расчета ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности производится по нормативному документу «Правила подработки зданий, сооружений и природных объектов при добыче угля подземным способом» [1].

5.2 Цель и методика исследований угловых параметров процесса сдвижений земной поверхности в сечениях, связанных с направлением отработки лавы

Расчет ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности производится в любой точке мульды сдвижения. У мульды сдвижения на земной поверхности различают два главных сечения: по простиранию и вкрест простирания. Обычно наблюдения за сдвижением земной поверхности производят по реперам профильных линий, расположенных в главных сечениях или вблизи главных сечений мульды, параллельных им. Наблюдения на таких профильных линиях позволяют определить границы мульды сдвижения в главных сечениях [5].

В настоящее время многие шахты отрабатывают лавы по диагональному к простиранию пласта направлению, то есть под углом "є", как показано на рисунке 2. Согласно [1] применительно к данной выработке должны произвести сглаживание контура параллельно простиранию и падению по принципу сохранения площади, то есть мульда сдвижения будет также сглаженной. Однако целесообразно производить расчет по простиранию и вкрест простирания пласта диагональной лавы (по осям Х', У') (рисунок 2).

Поэтому суть работа заключается в разработке методики определения угловых параметров процесса сдвижений и деформаций при переходе от расчетов вкрест и по простиранию к наклонному направлению.

Исходными параметрами для расчета сдвижений и деформаций являются:

1. Граничные углы в градусах;
2. Угол максимального оседания в градусах;
3. Углы полных сдвижений в градусах;
4. Относительная величина максимального оседания;
5. Относительная величина максимального горизонтального сдвижения.

На первом этапе выполнили исследование угловых параметров одиночной лавы при мощности пласта 2,5 м, средней глубине отработке 800 м, угле падения 45 градусов с образованием плоского дна мульды (рисунок 3) [1].

где Н – средняя глубина разработки, м;

D1, D2 – длины очистной выработки соответственно вкрест и по простиранию, м;

а – угол падения пласта, градус;

h – мощность наносов, м;

– граничные углы соответственно по простиранию, по восстанию и по падению, градус;

– граничный угол в наносах, градус;

– углы полных сдвижений, градус.

Полученное выработанное пространство планируется отрабатываться под углом е по отношению к направлению простирания пласта. В связи с этим замена фактического контура

Размер выработанного пространства не позволяет эквивалентно заменить фактический контур выработанного пространства равновеликим прямоугольником со сторонами параллельными направлению простирания и падения пласта. Для того чтобы замена была правомочной выработанное пространство было разделено на лавы меньшего размера.

В условной системе координат были определены координаты центров лав, их размеры вкрест и по простиранию. Из центра всех лав провели вымышленные линии расчета деформаций параллельные направлению простирания пласта. С помощью программы Н.Н. Грищенкова «Подработка» для любой точки на этих линиях возможно определить значение величины оседания, наклона, кривизны, горизонтальных сдвижений и деформаций земной поверхности. Также была выполнена главная задача этого этапа - определены границы мульды сдвижения и ее плоское дно.

Расчеты производились трижды, с изменением размера лавы вкрест простирания при остальных неизменных условиях.

Аналитический расчет сдвижений и деформаций в любой точке мульды сдвижения производим по следующим формулам согласно рисунку 6:

1. Определение оседания
   
2. Определение наклонов
   
3. Определение горизонтальных деформаций

где

– величина максимального оседания;

– величина наклонов по простиранию и вкрест простирания соответственно:

– значение горизонтальных деформаций по простиранию и вкрест простирания соответственно:

значение функции определяем по формуле:

– относительная величина максимального горизонтального сдвижения;

– угол падения пласта, град;

h и hм – мощность наносов и мезозойских отложений, м;

Нср – средняя глубина очистной выработки, м;

S(zх), S(zу), S'(zх), S'(zу), S''(zх), S''(zу) – функции типовых кривых, характеризующих закономерность распределения сдвижений и деформаций в соответствующей полумульде. Значения S'(zх) принимают отрицательными на участках, где х>0, положительными, где х<0. Значения S'(zу) принимают отрицательными в полумульде по восстанию (у>0) и положительными в полумульдепо падению (у<0);

– длины полумульд по падению, по восстанию и по простиранию пласта соответственно;

– угол разворота условной системы координат относительно общей системы [1].

5.3 Прогноз сдвижений и деформаций земной поверхности при отработке лавы по диагональному к простиранию пласта направлению в Ansys

Следующей частью магистерской работы является определение сдвижений и деформаций земной поверхности диагональной лавы с помощью программы Ansys (универсальная программная система конечно-элементного анализа).

Толща горных пород до проведения горных выработок находится в условиях естественного напряженного состояния, создаваемого массой горных пород. Давление, приходящееся на единицу площади в нетронутом массиве, обычно приравнивается массе вышележащего столба (рисунок 7), то есть

где – средневзвешенное значение плотности пород, кг/м3;

Н – глубина разработки, м.

Боковые составляющие вертикального напряжения будут

где k<=1 – коэффициент бокового распора.

После проведения горной выработки в величине , приходящейся на единицу площади, происходит переконцентрация напряжений в некоторой области массива, прилегающего к выработке. При некотором удалении от сечения выработки величины напряжений принимают первоначальные значения.

Возрастание напряжений около боковых стенок выработки (эпюра 1) может вызвать раздавливание краев целика и сдвижение горных пород или полезного ископаемого в сторону выработки. При этом максимум напряжений смещается уже на некоторое расстояние в сторону целика (точки А и В эпюры 2) [6].

Напряженное состояние в точке определяется совокупностью нормальных и касательных напряжений, возникающих в сечениях, проведенных через эту точку.

Определение объемного напряженного состояния в любой площадке (рисунок 8) при известных главных напряжениях вычисляется по формулам:

где – углы между нормалью к рассматриваемой площадке и направлениями главных напряжений.

Наибольшее касательное напряжение:.

Оно действует по площадке параллельной главному напряжению и наклоненной под углом 45 градусов к главным напряжениям и .

Плоское напряженное состояние — частный случай объемного и тоже может быть представлено тремя кругами Мора (рисунок 9), при этом одно из главных напряжений должно быть равно 0. Для касательных напряжений так же, как и при плоском напряженном состоянии, действует закон парности: составляющие касательных напряжений по взаимно перпендикулярным площадкам, перпендикулярные к линии пересечения этих площадок, равны по величине и обратны по направлению [7].

Касательное напряжение можно представить в виде линейной зависимости:

где с – сцепление, Па;

– нормальные напряжения, Па;

– абстрактный угол наклона (угол внутреннего трения).

На данный момент построена модель горного массива с выработанным пространством в угольном пласте для эластичных и линейных свойств пород

Заключение

В магистерской работе представлена актуальная научная и практическая задача, заключающаяся в предложении методики прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности при отработке лав по диагональному к простиранию направлениях.

В дальнейшем необходимо выполнить все расчеты, установить зависимость между угловыми параметрами отработки лав по направлению простирая пласта и под диагональным направлением отработки лав, а также разработать формулы для определения угловых параметров процесса сдвижения по диагональному к простиранию направлению. С помощью программы Ansys построить наглядную модель деформаций земной поверхности при нелинейных и неэластичных свойствах горных пород.

Список источников

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.