ДонНТУ   Портал магістрів

Мухіна Альона Сергіївна

Гірничо-геологічний факультет

Кафедра маркшейдерської справи

Спеціальність Маркшейдерскька справа

Дослідження кутових параметрів процесів зрушення та деформацій земної поверхні у перетинах, пов’язанних з напрямком відпрацювання лав

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
• 6. 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:

1. Aналіз існуючих методик прогнозу зрушень і деформацій земної поверхні.
2. Pозробка графічної методики визначення кутових параметрів процесу зрушеннь і деформацій земної поверхні при відпрацюванні лав по діагональному до простягання напрямках.
3. Пропозиція методики прогнозу зрушень і деформацій земної поверхні при відпрацюванні лав по діагональному до простягання напрямках графічним і аналітичним способами.
4. 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 малюнку 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 малюнку 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:

1. Граничні кути в градусах.
2. Кут максимального осідання в градусах.
3. Кути повних зрушень в градусах.
4. Відносна величина максимального осідання.
5. 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 (малюнок 3) [1].

де 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.

Отримане вироблений простір планується відпрацьовуватися під кутом е стосовно напрямку простягання пласта. У зв'язку з цим заміна фактичного контуру

Розмір виробленого простору не дозволяє еквівалентно замінити фактичний контур виробленого простору рівновеликим прямокутником зі сторонами паралельними напрямку простягання і падіння пласта. Для того щоб заміна була правомочною вироблений простір було розділене на лави меншого розміру.

У умовній системі координат були визначені координати центрів лав, їх розміри вкрест і по простяганню. З центру всіх лав провели вигадані лінії розрахунку деформацій паралельні напрямку простягання пласта. За допомогою програми М.М. Грищенкова «Подработка» для будь-якої точки на цих лініях можливо визначити значення величини осідання, нахилу, кривизни, горизонтальних зрушень і деформацій земної поверхні. Також була виконана головне завдання цього етапу - визначені межі мульди зрушення і її плоске дно.

Розрахунки проводилися тричі, із зміною розміру лави хрестом простягання при інших незмінних умовах.

Аналітичний розрахунок зрушень і деформацій у будь-якій точці мульди зрушення робимо за наступними формулами згідно малюнку 5:

1. визначення осідання
   
2. визначення нахилів
   
3. 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 (малюнок 6), 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 (малюнок 7) 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 і .

Плоский напружений стан – окремий випадок об'ємного і також може бути представлений трьома колами Мора (малюнок 8), 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).

На данний момент побудовано модель гірничого масиву з виробленим простором в у вугільному пласті для еластичних і лінійних властивостей порід (Малюнок 9).

Висновки

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

Надалі необхідно виконати всі розрахунки, встановити залежність між кутовими параметрами відпрацьовування лав по напрямку простягаючи пласта і під діагональним напрямком відпрацювання лав, а також розробити формули для визначення кутових параметрів процесу зрушення по діагональному до простягання напрямку. За допомогою програми Ansys побудувати наочну модель деформацій земної поверхні при нелінійних і нееластичних властивостях гірських порід.

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.