Научное обоснование методов прогноза деформаций горных пород и земной поверхности при подземной разработке угольных пластов в сложных горно геологических условиях
Автор: Земисев Владимир Назарович
Автор: Земисев Владимир Назарович
В настоящее время в основных угольных бассейнах страны под зданиями, сооружениями и охраняемыми природными объектами залегает более б млрд.тонн угля.
На угленосных территориях распологены крупные города (Донецк, Караганда, Прокопьевск, Стаханов, 1^ково, Горловка, Макеевка и др.), прошпленные комплексы, транспортные кошлуникации, охраняемые природные объекты, имеющие важное народнохозяйственное значение. Дэбн-ча угля в зонах влияния на охраняемые объекты в СССР составляет в настоящее время 50-60 илн.тонн в год, достигая в отдельных районах до 30£ общей добычи. Ыакскмальио-всзиояное извлечение запасов угля кз недр в зонах влияния горных выработок на охраняемые объекты при обеспечении ¡к нормальной эксплуатации является вазной народнохозяйственной- задачей, способствупщей продленки сроков слуябы действующих шахт и значительной экономии капитальных вложений. Экономический эффект от извлечения 50-60 млн.тонн запасов угля в зонах влияния на охраняете объекты равноценен вводу в действие без дополнительных затрат нескольких угольных шахт.
Выбор рациональных способов разработки месторождений в зонах влияния на охраняе*гые объекты способствует решению проблемы охрани окружающей среды к рациональному использовании недр.
В связи с интенсификацией горных работ, переходом горных работ на большие глубины, ведением горных работ в зонах влияния тектонических нарушений, осевых поверхностей синклинальных и шарнирных 2кладок, при наличии старых горных выработок на небольшой глубине возрастает роль геомеханического обоснования и разработок рациональных способов ведения горных работ под охраняемыми объектами, спо-;обствутацих значительному снижению деформаций поверхности и уменьшении повреждений объектов при максимальном извлечении запасов угля га недр.
Актуальной проблемой является обоснование оптимальных мер защиты проектируемых объектов и их рациональное расположение на угленосных территориях.
Диссертационная работа посвящена научному обоснованию методов прогноз-a деформаций горных пород и земной поверхности и определению параметров ведения горных работ при выемке свит пластов на большой глубине, при нарушенном и сложном залегании пород, при подработке оползневых склонов и при перспективном планировании горных работ.
Исследования выполнялись во ВШЫИ в рамках научно-исследовательских программ по проблемному плану АН СССР на 1976-80 гг. (работа 020502, № ГР 76028075), в соответствии с Целевой комплексной программой № 20 Минуглепрома СССР на 1981-85 гг. (тема 0202000, № ГР 01840007757-59), по проблеме 0.55.05 Госстроя СССР на 1975-80 гг. (работа 020503, Р ГР 76028065), по отраслевому плану Минуглепроыа СССР на 1985-90 гг. (тема 0239035, J? ГР 01870001110), в которых автор принимал участие в качестве ответственного исполнителя и руководителя работ.
Цель работы - научное обоснование извлечения запасов угля под застроенными территориями, промышленными комплексами, природными объектами, в сложных горно-геологических условиях (выемка свит пластов на большой глубине, нарушенное и сложное залегание пород, ведение горных работ под оползневыми склонами, перспективное планирование горных работ).
Задачи исследований:
1. Разработка и внедрение методов эффективного изучения процесса сдвижения горных пород и земной поверхности на физи--оских моделях из эквивалентных материалов, в натурных условиях и ча маг-тематических моделях.
2. Разработка схем деформирования и методов прогноза с ¿иже-ний и деформаций горных пород и земной поверхности в сложных горно-геологических условиях.
3. Обоснование параметров ведения горных работ в слоеных горно-геологических условиях, обеспечивающих значительное уменьшение деформаций земной поверхности в основании подрабатываемых объектов, расконсервацию запасов угля, стабилизацию оползней.
4. Обоснование и разработка методов прогноза деформаций земной поверхности и требований к параметрам разработки пластов при перспективном планировании горных работ.
5. Классификация территорий застройки по характеру процесса сдвижения и величинам деформаций для проектирования строительства на угленосных территориях.
6. Разработка требований и алгоритмов к программам расчета сдвикений и деформаций земной поверхности на ЭВМ с автоматизацией графических построений.
Идея работы заключается в оценке влияния геологических и техногенных поверхностей ослабления в горных массивах (контакты слоев, плоскости сместителей нарушений, осевые поверхности складок, зоны трещин и разрушенных пород под влиянием очистных выработок) на характер и параметры процесса сдвияения и в учете этого влияния при выборе рациональных способов горных разработок под объектами.
Методы исследований. Основными методами исследований являются анализ и обобщение результатов натурных наблюдений, изучение процесса сдвижения на моделях из эквивалентных материалов и в натурных условиях (разработка и совершенствование методов наблюдений и приборов), математическое моделирование и аналитические исследования с использованием методов механики сплошной среды, теории случайных процессов, математической статистики, анализ и оценка влияния'различных факторов с использованием ЭВМ, сравнение прогнозируемых параметров с их экспериментальными значениями в натурных условиях.
Научные положения, выносимые на защиту: • I. Сдвиги пород по контактам над выработкой с разделением толщи на слои и пачки происходят под влиянием касательных напряжений, возникающих при изгибе подработанных пород /2/.
Формирование мульды сдвиаения в массиве и на земной поверхности зависит от перемещений пород над зоной обрушения, определяемых вынимаемой мощностью пласта и размерами выработки, мощностью пачек пород, деформирующихся без расслоений, и перемещений пород в зоне опорного давления, зависящих от дополнительных напряжений и потери распора пород вдоль напластования под влиянием изменения напряженного состояния в зоне изгиба /19/, /22/. При увеличении глубины горных разработок влияние потери распора на формирование краевой части мульды сдвижения возрастает..
2. Максимальные деформации горных пород и земной поверхности и основные параметры процесса сдвижения определяются взаимным расположением выработок относительно геологических и техногенных зон ослабления и очередностью прохождения выработок в этих зонах.
Результирующий эффект влияния нескольких выработок на земную поверхность в районах выходов геологических поверхностей ослабления зависит от взаимного положения поверхности ослабления и зоны активных сдвиговых деформаций в мульде и последовательности разработки пластов в зонах влияния нарушений /57/, /58/.
3. При расчете сдвижений и деформаций горных пород и земной поверхности следует учитывать как средние (закономерные), так и неравномерные (случайные) составляющие сдвижений и деформаций. Распределение средних составляющих сдвижений и деформаций может определяться с использованием непрерывных эмпирических или аналитических функций.
Неравномерные составляющие сдвижений и деформаций, обусловленные неоднородностью свойств горного массива, могут оцениваться иетодами математической статистики и теории случайных процессов на основе определения их статистических характеристик и связей со средними значениями сдвижений и деформаций /29/, /37/, /39/.
4. Методы расчета сдвижений и деформаций земной поверхности и рационального расположения горных выработок под охраняемыми объектам должны соответствовать полноте информации и требованиям характерных стадий планирования разработки месторождения (стадии разведки, генеральных схем раскройки шахтных полей, пятилетнего и оперативного планирования горных работ).
5. При ведении горных работ в свитах крутопадающих пластов в условиях сдвижения пород лежачего бока процесс сдвижения горных пород характеризуется изгибом слоев и сдвигами пород по контактам напластований с концентрацией сдвиговых деформаций на слабых контактах, которые могут оцениваться величиной сосредоточенной кривизны, функционально связанной со средними деформациями земной поверхности и строением массива /23/, /35/.
6. При разработке пластов, залегающих в синклинальных складках с углами падения крыльев большими, чем углы трения- по контактам слоев, сдвижение горных пород и земной поверхности проявляется в форме изгиба слоев вблизи осевой поверхности складки, сдвигов пород по контактам напластования на крыльях складки и сдвигов пород по осевой поверхности складки при попадании её в область активных сдвиговых деформаций.
Взаимосвязь и соотношение этих форм деформаций зависит от типа складки и положения очистных выработок относительно её осевой поверхности /35/, /57/, /58/.
7. При подработке очистными выработками крутопадающих тектонических нарушений вследствие сдвига пород по поверхности смести-
теля возникают концентрации деформаций пород на пересечении с нарушением, увеличиваются скорости деформаций массива и земной поверхности, происходит изменение углов сдвижения, наблюдается активизация подвижек слоев по контактам напластования.
Максимальные деформации земной поверхности и величины угловых параметров процесса сдвижения зависят от очередности разработки пласта на различный характерных участках в зоне влияния тектонического нарушения /35/, /54/, /56/, /57/.
8. Методы прогноза вероятных сдвижений и деформаций при перспективном планировании горных работ в свитах пластов должны учитывать характернее особенности подготовки и разработки свит пластов (количество одновременно разрабатываемых пластов в свите, панельный, этапный пли погоризонтный способы подготовки и ведения горных работ) я статистические характеристики сдвижений и деформаций, обусловленные возможным изменением исходных горнотехнических параметров и последовательности разработки пластов /35/, /37/.
9. Для изучения процесса сдвижения горных пород и земной поверхности, обоснования геомеханических схем процесса сдвижения и оценки влияния горно-геологических факторов может эффективно приценяться метод моделирования с помощью эквивалентных материалов, разработанные методики исследований, конструкции стендов, приборы и оборудование /I/, /4/, /6/, /9/, /28/, /32/, /59/.
10. Программы расчетов сдвижений и деформаций земной поверхности, реализуемые на ЭВМ, должны обеспечивать получение максимальных и суммарных сдвижений и деформаций земной поверхности в рассматриваемых точках мульды сдвижения при различных вариантах разработки пластов и выбор оптимальных вариантов горных работ по заданным критериям. Графические построения должны включать получение на плане поверхности изолиний максимальных и суммарных сдви-пений и деформаций, в направлениях вкрест простирания, по простиранию пластов и в заданных направлениях за рассматриваемый промежуток времени /35/, /47/.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций определяется соответствием прогнозируемых сдвижений и деформаций горных пород и земной поверхности,их измеренным величинам в различных угольных бассейнах страны; представительный объёмом экспериментальных исследований на моделях из эквивалентных материалов; анализом и обобщением обширных материалов натурных наблюдений в основны:: угольных бассейнах; широким долголетним и положительным опытом проверки методов прогноза сдвижений и деформаций горных пород и земной поверхности на шахтах Минуглепрома
СССР при расконсервации запасов угля под застроенными территориями, промышленными комплексами," природными объектами, обеспечившим нормальную эксплуатацию объектов; успешной .защитой объектов, построенных на угленосных территориях, применением рациональных параметров горных работ под 'охраняемыми объектами, позволившим расконсервировать значительные объёмы запасов угля; широкой апробацией рекомендаций и предложений автора в рамках основных нормативных и методических документов, действующих на предприятиях Минуглепрома СССР и Госстроя СССР /2/, /14/, /19/, /22/, /25/, /33/, /35/, /38/, /41/, /50/, /54/, /59/.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Установлено, что деформирование слоистой толщи пород под влиянием подземных разработок характеризуется совокупностью деформаций отдельных пачек слоев, предельные мощности которых зависят от соотношения сил бокового распора и сцепления пород по контактам.
Деформации сдвига и изменение объёма пород после потери несущей способности этих пачек над выработкой малы и при расчетах деформаций ими можно пренебречь.
Сдвиги пород реализуются на контактах пачек в виде взаимных смещений пород по напластованию. .
На формирование положения зоны трещин в массиве оказывает влияние сопротивление сдвигу по контактам слоев и предел прочности слоя растягивающим напряжениям /16/, /19/, /22/.
Деформирование пород в зоне опорного давления при больших глубинах разработки в значительной мере определяется степенью потери бокового распора, вызванного сдвижениями пород над очистной выработкой.
Средние деформации пород в зоне опорного давления функционально связаны со сдвижениями угольного пласта по нормали к напластованию, которые при аналогичных по деформационным свойствам покрывающих и подстилающих породах достигают 50%, сдвижений поверхности в рассматриваемых нормальных к напластованию сечениях /8/, /19/, /22/.
2. Сосредоточенные деформации земной поверхности, возникающие на слабых контактах при разработке свит пластов в условиях сдвижения пород лежачего бока, пропорциональны средним наклонам земной поверхности, мощности деформирующихся без расслоений пачек пород I функционально связаны с содержанием крепких слоев в покрывающих и подстилающих породах /26/, /33/, /35/.
Величины "обратных" уступов, возникающие на земной поверх-:ости в Донбассе, пропорциональны разности сдвижений смежных слоев доль напластования при их изгибе, которые могут быть выражены крез средние деформации поверхности на основании теории малых де-юрмаций /54/, /56/. Распределение и величины средних деформаций оверхности в условиях сдвижения пород лежачего бока-пластов за-исят от кратности подработок, соотношения крепких слоев в покры-ающих и подстилающих породах, количества ранее отработанных гори-онтов и общей протяженности ранее пройденнцх по падению вырабо-ок /26/, /33/, /35/, /54/.
3. Зоны разрушения горных массивов, при первичной подработке ород очистными выработками, определяют положение максимальных де-юрмаций и их величины на земной поверхности при повторных подра-отках этих участков выработками в других пластах, пройденными в онах взаимного влияния, поэтому характер процесса сдвижения, ве-ичины максимальных деформаций горных пород и земной поверхности, гловые параметры процесса зависят.от очередности прохождения чистных выработок на участках влияния геологических нарушений или ехногенных ослаблений массивов /36/, /43/, /45/, /52/, /56/, /62/.
4. Деформации массивов горных пород и земной поверхности при заработке пластов, залегающих в синклинальных складках, вызван-ке изгибом слоев у осевой поверхности, сдвигами пород по контак-ам напластований на крыльях складки и сдвигами пород по осевой оверхности складки функционально связаны между собой и зависят от ынимаемой мощности пласта, отношения размеров выработки к глубине апегания оси складки, разности углов наклона разрабатываемого ласта на оси складки и на участке выхода пласта под наносы.
При разработке пластов на одном из крыльев складки концент-ация сдвиговых деформаций на осевой поверхности складки приводит образованию уступов на земной поверхности, величины которых про-орциональны оседаниям поверхности и отношению размеров зоны сдви-овых деформаций " 1а. " к длине осевой поверхности складки на раз-езе вкрест простирания " 10п (при > 0,3) (рис.3).
При ведении горных работ на обоих крыльях складки величины двиговых деформаций и уступы на земной поверхности на оси складки ропорциональны разности значений уступов, возникающих под влия-кем горных работ на каждом крыле складки /24/, /35/, /57/, /58/, 59/.
5. При ведении горных работ в зонах влияния крутопадающих ектонических нарушений на земной поверхности образуются "прямые" • ли "обратные" уступы,возникающие соответственно вследствие сдвига
пород по сместителю или взаимного скольжения пород висячего и лежачего крыльев нарушения при изгибе сместителя, вызванного его подработкой.
Уступы возникают при углах падения сместителей более 50° (пологое залегание пород) и при углах падения сместителей более 40° (наклонное и крутое залегание пород).
Величины "прямых" уступов на выходах сместителей крутопадающих нарушений пропорциональны максимальным оседаниям земной поверхности и отношению размеров зоны сдвиговых деформаций к общей длине сместителя нарушения на разрезе вкрест простирания.
Величины "обратных" уступов на выходах согласнопадающих нарушений (при Д- сС <20°) пропорциональны максимальным наклонам земной поверхности и функционально зависят от углов падения сместителей нарушений /55/, /57/. При ведении горных работ на обоих крыльях сместителя тектонического нарушения, уступы на поверхности пропорциональны разности максимальных оседаний, вызванных влиянием горных работ в висячем и-лежачем крыльях сместителя нарушения /55/ /57/, /58/, /59/.
6. Сосредоточенные деформации земной поверхности, наблюдаемые в районе выходов поверхностей ослабления на различные моменты отработки пластов, в той или иной степени корреляционно связаны между собой, поэтому результаты наблюдений можно использовать для обоснования математических моделей и прогноза сосредоточенных; деформаций при переходе горных работ на более глубокие горизонты к соседние участки.
7. С увеличением глубины горных разработок увеличивается отношение неравномерных составляющих наклонов, горизонтальных деформаций икривизны к их средним значениям. При глубинах разработки 700-1000 м неравномерные составляющие горизонтальных деформаций соизмеримы с их средними значениями, а неравномерные составляющие кривизны превосходят средние значения в 3-3,5 раза.
Неравномерные составляющие наклонов и горизонтальных деформаций различных участков земной поверхности практически не зависимы между собой, что позволяет использовать методы теории случайных величин для оценки их дисперсий при разных расстояниях между пунктами наблюдений.
Научное значение работы заключается в научном обосновании и разработке методов прогноза сдвижений и деформаций горных пород и земной поверхности и рациональных способов ведения горных работ под охраняемыми объектами в сложных горно-геологических условиях (разработка свит пластов на большой глубине, нарушенное и сложное
залегание пород, наличие в массиве древних оползней), обеспечивших решение крупной народнохозяйственной проблемы по расконсервации запасов угля под охраняемыми объектами и рационально^ использованию недр.
Практическая ценность работы заключается в следующем;
1. Обоснованы, разработаны и внедрены методы расчета сдвкже-ний и деформаций земной поверхности в сложных горно-геологаческих -условиях для выбора мер защиты объектов (при выемке свит крутопадающих пластов, при залегании пород в синклинальных складках и при нарушенной залегании пород, при перспективном планировании горных работ) /23/, /25/, /33/, /35/, /38/, /44/, /50/, /54/ и эффективного извлечения запасов из недр.
2. Обоснованы рациональные способы ведения горных работ под охраняемыми объектами (горные меры защиты объектов) в ело шок горно-геологических условиях (при выемке свит пологих, наклонных' и крутопадающих пластов, при залегании горных пород в синклинальных складках и нарушенном залегании пород, при наличии в массиве древних оползней), внедренные на шахтах ряда производственных объединений /36/, /43/, /45/, /56/, /57/, обеспечившие расконсервацию запасов угля под охраняемыми объектам.
3. Разработаны и используются для выбора мер защиты вертикальных шахтных стволов методы расчета сдвижений и деформаций горного массива /19/.
4. Обоснованы методы и приборы для изучения процесса сдвижения горных пород и земной поверхности в натурных условиях /5/, /7/, /II/, /14/, /15/, /50/, /59/.
Разработана технология моделирования процесса сдвижения горных пород, конструкции стендов, измерительная аппаратура для изучения процесса сдвигания на моделях из эквивалентных материалов /I/, /3/, /4/, /7/, /9/, /17/, /22/, /28/, /31/, /32/, /60/.
5. Разработаны требования и алгоритмы к прогреве расчета ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности на ЭВМ с автоматизацией графических построений сдвижений и деформаций, которая широко внедрена в основных производственных объединениях Микугле-прома СССР, научно-исследовательских и проектных институтах /47/.
Внедрение результатов работы. Методы прогноза сдвижений и деформаций горных пород и земной поверхности для выбора мер защиты объектов в сложных горно-геологических условиях, разработанные автором, включены в основные нормативные и методические документы по вопросам сдвижения горных пород, охране объектов и проектирования строительства на угленосных территориях, утвержденные или одобрен-
ные Минуглепромом СССР и Госстроем СССР /19/, /23/, /33/, /38/, /41/, /54/ и согласованные с Госгортехнадзором СССР /35/. Методы прогноза деформаций горных пород и земной поверхности используются во всех угольных бассейнах страны при выборе мер защиты объектов.
Пакет прикладных программ для ЭВМ до прогнозу сдвижений и деформаций с автоматизацией графических построений широко внедрен в горно-добывающих, проектных, научно-исследовательских организациях Минуглепрома СССР и Госстроя СССР.
Методы рационального ведения горньк работ включены в нормативные и методические документы /25/, /35/, защищены авторскими свидетельствами /43/, /45/, /55/, /61/, внедрены в ряде про-
изводственных объединений Минуглепрома СССР.
Методы наблюдений за сдвижением горных пород и земной поверхности и их интерпретации включены в "Инструкцию по наблюдениям...и, утвержденную Минуглепромом СССР и согласованную с Госгортехнадзором СССР /59/, а также в Методические указания /50/, одобренные Минуглепромом СССР.
Разработанные методы широко используются на шахтах Минуглепрома СССР при проведении наблюдений за сдвижением горных пород и земной поверхности и интерпретации полученных результатов.
Методы моделирования процесса сдвижения на физических моделях, из эквивалентных материалов включены в "Методические указания..." /4/, /28/.
С 1980 г. под руководством и при участии автора составлено более ста заключений и рекомендаций по расконсервации запасов угля под охраняемыми объектами, прогнозам деформаций для выбора мер защиты проектируемых объектов, рациональному ведению горных работ, развитию градостроительства на угленосных территориях.
Использование разработанных с участием автора нормативных и методических документов позволяет ежегодно на шахтах СССР расконсервировать до 50-60 млн.тонн угля. Внедрение разработанных рекомендаций по расконсервации запасов угля на отдельных шахтах в условиях нарушенного и сложного залегания пластов .обеспечивает ежегодное извлечение не менее 0,5 млн.тонн угля под охраняемыми объектами при обеспечении их нормальной эксплуатации.
Апробация работы. Работа апробирована на шахтах Донбасса, Кузбасса, Карагандинского, Львовско-Волынского и др. бассейнов, на месторождениях Средней Азии. Основные положения работы докладывались и обсуждались на конференциях, совещаниях, симпозиумах, Ученом Совете ВНИМИ, в Минуглепроме СССР и на международных конгрессах по маркшейдерскому делу в Тузле (Югославия) 1975 г., в Харо-
гейте (Англия) 1985 г., в Ленинграде 1988 г., на международном симпозиуме в Болгарии в 1986 г., результаты исследований использовались при выполнении работ для Ицдии, при выполнении совместных работ с ФРГ и получили высокую оценку зарубежных специалистов.
Публикации. Основные положения работы изложены в &»-х печатных трудах и изобретениях, в том числе двух монографиях. Работа по разработке и созданию моделей геомеханических процессов с использованием эквивалентных материалов удостоена Государственной премии СССР в области науки и техники за 1984 г.
…
Заключение
В диссертации, представленной в форае научного доклада, приводятся разработанное автором научное обоснование методов прогноза сдэнзений н деформаций гортгх пород и земной поверхности, рациональных параметров горных выработок под рхраняешми объектами и способов изучения процесса сдвижения, что позволило решить крупную научную проблему по рациональному использованию недр, повышенна полноты извлечения запасов из недр при обеспечении эксплуатационной сохранности подрабатываемых объектов в сложных горно-гзолоппгескд условиях: при разработке свит пластов на большой гдубинэ, при нарушенном и сложном заяеганка пород, при перспективном планировании горних работ.
В результате проведешшх исследований получэны следующие наутзаге результата:
1. Установлены закономерности деформирования слоистых горных пород в зоне изгиба н зеке опорного давления. Определено, что сдвиги пород слоистой толщи рзавизуются после потери насущей способности пород на контактах слоев, по осевки поверхностям складок, по плоскостям сиестятеяей тектонически нарушений.
Одвигн внутри отдельных слоев после потери ими несущей способности з направлен!!:!, параллельном я перпендикулярном слоистости, «алы и имя можно пренебречь.
Дэфораированкв слоистой тощи пород в зоне над сыработкой, кз осложненной геологическими нарушениями, можно рассматривать гаи совокупность деформаций отдельных слоев, используя при рас-
равенство нулю сдвигов внутри слоя и постоянство объема пород над зоной обрушения.
При большее глубинах разработки массив в зоне опорного давления з значительной степени деформируется под влияние« потери бокового распора над выработкой.
2. Обоснованы схет деформирования пород и земной поверхности при разработках свит крутопадающих пластов в условиях сдвижения пород лежачего бока.
Установлено, что основными факторами, оказывающими влияние на характер и параметры процесса сдвижения являются структурные особенности месторождения, наличие крепких монолитных пород в покрывающей и подстилающей толще.
Показано, что величины сосредоточенных деформаций на выходах слабых контактов могут оцениваться сосредоточенной кривизной, зависящей от расстояний между слабыми контактами, наклонов по-
верхности и структурных особенностей месторождения. Сосредоточенные деформации (уступы и сосредоточенная кривизна) на одних и тех же участках на разные моменты разработки месторождения в значительной степени корреляционно связаны между собой, поэтому прогнозирование их величин может эффективно выполняться с использованием данных наблюдений, при выемке пластов на вышележащих горизонтах или соседних участках.
3. Установлено, что выемка первого пласта свиты определяет положение зон максимальных деформаций на поверхности, если выработки в других пластах находятся в зонах взаимного влияния. Повторная подработка поверхности выработками в других пластах не вызывает изменения положения характерных зон деформаций в мульде сдвижения, вследствие того, что деформации концентрируются на участках разрушения, трещин и расслоений пород, возникших при первичной подработке.
4. Изучен характер деформирования горных пород при разработке пластов, залегающих в синклинальных складках. Разработаны схемы деформирования пород, установлено что общие величины сдвижений и деформаций горных пород и земной поверхности включают составляющие вызванные изгибом и сдвигами пород на разрабатываемом и противолежащем крыльях складки.
Обоснованы зависимости сдвижений и деформаций от основных горнотехнических и горно-геологических факторов, установлено, что сдвиги пород по осевой поверхности складки пропорциональны максимальному оседанию поверхности и отношению длины зоны сдвиговых деформаций к длине осевой поверхности на разрезе вкрест простирания, Разработаны методы расчета сдвижений и деформаций поверхности.
5. Исследовано влияние тектонических нарушений на параметра процесса сдвижения и величины деформаций .поверхности. Разработаны схемы деформирования пород и методы прогноза сосредоточенных деформаций в зонах влияния тектонических нарушений. Установлено, что величины "прямых" и "обратных" уступов на выходах тектонических нарушений зависят от взаимного положения выработки и смести-теля нарушения, максимальных оседаний земной поверхности, максимальных наклонов в мульде сдвижения, длины зоны сместителя, попадающей в область сдвиговых деформаций, мощности зон пород пониженной прочности, угла падения сместителя, свойств горных пород.
6. Зоны нарушенных пород в массиве, обусловленные геологическими факторами (тектонические нарушения, синклинальные складки) или техногенными процессами (образование зон трещин и рас-
слоений при первичных подработках), вызывают изменение параметров и характера процесса сдвижения, что позволяет обосновать рациональные параметры горных выработок и очередность их проходки в свитах пластов, в зонах влияния тектонических нарушений и осевых поверхностей складок, под оползневыми склонами, обеспечивающие значительное снижение деформаций в основании подрабатываемых объектов.
7. Отношение неравномерных составляющих деформаций земной поверхности к средним деформациям возрастает с увеличением глубины разработки.
Оценка корреляционных зависимостей неравномерных составляющих деформаций различных интервалов в мульде сдвижения показывает, что они практически независимы между собой, поэтому при определении их статистических характеристиках могут быть использованы методы теории случайных величин.
8. Разработаны новые методы и приборы для изучения процесса сдвижения горных пород и земной поверхности в натурных условиях
и на моделях из эквивалентных материалов. Обоснованы рекомендации по конструкциям наблюдательных станций, методике наблюдений, применению различных приборов для изучения процесса сдвижения.
За разработку и создание моделей геомеханических процессов-с использованием эквивалентных материалов автору в составе коллектива ученых ВНИШ, СО АН СССР, ИГД им.Сксчинского A.A., ЛГИ в 1984 г. присуждена Государственная премия СССР в области науки и техники.
Основные практические результаты:
1. Разработаны методы расчета сдвижений, деформаций слоистых горных пород в зоне изгиба и зоне опорного давления, включенные
во "Временные указания ..." /19/, утвержденные Минуглепромом СССР. Методы расчета деформсций горных пород реализуются при выборе мер защиты вертикальных шахтных стволов при расконсервации запасов в предохранительных целиках.
2. Разработаны и внедрены методы расчета сдвижений и деформаций земной поверхности при выемке свит крутопадающих пластов, при залегании пластов в синклинальных складках, при ведении горных работ в зонах влияния тектонических нарушений, при перспективном планировании горных работ, включенные в нормативные и методические документы, утвержденные или согласованные Минуглепро-мом СССР, согласованные Госстроем СССР или Госгортехнадзором СССР /23/, /33/, /35/, /38/, /41/, /54/.
Методы расчета сдвижений и деформаций поверхности широко внедрены при выборе мер защиты объектов в основных угольных бас-
сейнах СССР при ведении горных работ в зонах влияния на охраняемые объекты.
Разработаны и включены в "Правила охраяы сооружений ..." методы определения зоны опасного влияния при нарушенной залегании пород.
Разработаны методы оценки сосредоточенных и неравномерных составляющих деформаций для определения расчетных деформаций поверхности в различных горно-геологических условиях /54/.
3. Разработаны и реализуются на практике рациональные способы ведения горных работ в сложных горно-геологических условия; (при нарушенном залегании пластов, при залегании пластов в синклинальных складках, при разработках свит пластов на большой глубине, при ведении горних работ на участках склонных к оползням).
Обоснованы нетоды классификации запасов угля в свите пластов и группировки пластов по характеру их влияния на величины деформаций зешой поверхности. ■
Рациональные способы ведения горшее работ на штатах отрасли обеспечивает значительное сиикенко деформация поверхности, сохранность подрабатываемых объектов /25/, /35/, /43/, /61/.
- РекЬгшидациЕ автора по прогнозу деформаций горных пород и зешюй поверхности к рациональный парамэтра'л горных работ под объектами использована на иаггох произЕодствекгак о5гсд::.:сд::;. .Дэ-нецкугояь, Огвгановугояь, Ростовуголь, Гуковуголь, Укрзаяадуголь, Прокопьевскугоиз, Карагсндсугодь, Срадаэуголь к др., а «сеьо пр-ц проектировании строительства к классификации пяоцадок застро{;гп ряда городов и козлиоксов (гг.Кеиэросо, Еакшэ, Гор-
ловка, Дроргшск и др.). Эгй работы позволили кавгекагь ко кзиге 0,5 цгн. тонн угля и год кз предохранительна цггкков с гопоги, экономически;: зффзктои более £30 тсс.руб.
Использование разработанных с утаевдеи автора, рсь.к'.зедкул, включенных в нормативные документа ко вопросам сдвигания горз^с: пород, защиты сооружений, проектирования строительства, способ о-вует в значительной игре эффективному извлечении 50-60 или. тонк угля в год на шахтах отрасли в зонах влияния на охраняеша объекты. Более полное извлечение запасов угля из недр обеспечивает значительный народнохозяйственный эффект.
4. Разработанные автором метода и приборы используются для изучения процесса сдвижения горных пород и земной поверхности в натурных условиях и на моделях из эквивалентных материалов. Рекомендации по методам наблюдений и конструкциям наблюдательных
зтанций, применению приборов включены в "Инструкцию ..." /60/, согласованную с Госгортехнадзором СССР и утвержденную Минугле-тромом СССР и ряд методических документов действующих в отрасли /29/, /50/.
5. Разработаны алгоритмы и требования к программам расчета ¡¡движений и деформаций земной поверхности на ЭВМ с автоматизацией графических построений, которые широко внедрены на предприятиях Минуглепрома СССР, Госстроя СССР, в проектных и научно-исследовательских институтах. Эти работы позволили автоматизировать методы трогноза сдвижений и деформаций земной поверхности в отрасли, товысить производительность, надежность и качество вычислительных л графических работ.
Основные положения диссертации в форме научного доклада опубликованы в следующих работах:
1. Земисев В.Н. Определение сдвижений точек модели методом эптических тензометров// Тр.ВНИШ - Л., 1959. С6.ХХХУ1, с.61-67.
2. Земисев В.Н. Расчет максимальных горизонтальных сдвижений в подработанной толще пород и на земной поверхности// Тр.ВНИШ -II., 1961. Сб.ХШ, с. 154-167.
3. Земисев В.Н., Троицкий B.C. Жесткий отвес для выноса центров скрытых реперов// Тр.ВНИШ - Л., 1962. С6.Х1У, с.325-328.
4. Методические указания по постановке исследований сдвижения горных пород на моделях - Л., ВНИШ. 1964 - 100 с.
5. A.c. 168605 (СССР). Устройство для дистанционного измере-тая смещений горных пород / ВНИШ. Авт.иэобр. В,Н.Земисев, З.В.Гусев, D.М.Карташов # 894721/22-3; заявлено 13.1УЛ964, эпубликовано в Б.И. 18.П. 1965,.$ 4.
6. Земисев В. Н., Никитинский В.Н. Метод "определения смещений точек поверхности объемных моделей// Тр.ВНИШ - Л., 1966. С6.1-ХУ1, ; .146-149.
7. A.c. I8346I (СССР). Струнный датчик для измерения деформаций скважин / ВНИШ. Авт.изобр. В.Н.Земисев, В.А.Генкин,
3.С.Троицкий !? 1002725/25-28; заявлено 7.1УЛ965, опубл. в Б.И. 24.УШ. 1966, » 13.
8. Земисев В.Н., Давидович А.Н. Деформации пород в зоне опор--юго давления// Тр.ВНИШ - Л., 1968. С6.1ХУШ, с.314-327.
9. Земисев В.Н., Троицкий B.C., Генкин В.А. Изучение напря-5енного состояния пород на моделях с помощью динамометра ДСС-1// Гр.ВНИМИ - Л., 1968. С6.1ХУШ, с.403-410.
10. Земисев В.Н., Мурашов А.Н. Определение сдвижений и деформаций в заданной точке мульды в условиях Карагандинского уголь ного бассейна// Тр.ВНИШ - Л., 1968. C6.LXXI, с.62-78.
11. Гусев В.В., Земисев В.Н. Определение деформаций горных пород во Львовско-Волынском угольном бассейне с помощью глубинных реперов// Тр.ВНИШ - Л., 1968. Сб.72, с.183-200.
12. Акимов А.Г. и др. Сдвижение горных пород при подземной разработке угольных и сланцевых месторождений / А.Г.Акимов, В.Н.Земисев, Н.Н.Кацнельсон, М.В.Короткое, В.С.Костенич,
A.Н.Медянцев, А.Н.Мурашов, И.А.Петухов - М.: Недра, 1970 -152-173 с.
13. Троицкий B.C., Земисев В.Н. К вопросу определения границы зоны сжатия в слоистом массиве с целью выбора оптимальных размеров целиков под водные объекты// Тр.ВНИШ - Л., 1970, СбЛШШ, с.302-312.
14. А.с. 281332 (СССР). Фотоэлектрический прибор для контроля сдвижения горных пород / ВНИМИ. Авт.изобр. В.В.Гусев,
B.Н.Земисев, Ю.М.Карташов № 1080072/22-3; заявлено 30.У.1966, опубл. в Б.И. 14.IX.1970, № 29.
15. Земисев В.Н., Мандриков С.Г., Карташов D.M. Изучение сдвижения горных, пород с помощью радиографических приборов// Тр. ВНИШ - Л., 1971. С6.1ХХХШ, с.50-54.
16. Земисев В.Н. Схемы сдвижения горных пород при пологом залегании пластов// Исследование проявления горного давления на глубоких горизонтах: сб.научн.тр. - Л.: ВНИШ, 1971, с.327-336.
17. Мандриков С.Г., Никольская Н.Ы., Земисев В.Н. Применение радиоактивных изотопов для исследования сдвижения толщи горных пород. Журнал "Изотопы в СССР' - М,, 1971, № 25, с.24-26.
18. Земисев В.Н., Линьков A.M., Филипов Н.А. Об оседаниях пласта в зоне опорного давления// Тр.ВНИШ - Л,, 1972. С61ХХХУ, с.193-198.
19. Временные указания по проектированию, строительству и эксплуатации крепи и армировки вертикальных шахтных стволов угольных шахт в условиях влияния очистных работ - Л., ВНИШ, 1972, с.23-132.
20. Земьсев В.Н., Гвирцман Б.Я. Основные положения методики расчета деформаций земной поверхности при разработке крутопадающих пластов// Тр.ВНИШ - Л., 1972. С6.1ХХХЛ, с.33-41.
21. Борейко Ф.И. и др. Расчет сдвижений и деформаций в заданный момент времени / Ф.И.Борейко, В.Н.Земисев, М.А.Иофис, А.В.Львова// Калийная промышленность - Л., 1972. Сб.10, с.42-46.
22. Земисев В.Н. Расчеты деформаций горного массива - М.: teflpa. 1973 - 144 с.
23. Методические указания по проектированию мер защиты 1ксплуатируемых зданий и сооружений в районах залегания круто-едающих пластов - Л.: ВНИМИ. 1973, с.79-101.
24. Земисев В.Н., Файнштйен Ю.Б. Принципы расчета сдвижений : деформаций земной поверхности при разработке угольных пластов, алегающих в синклинальных складках// Тр.ВНИШ - Л., 1974. Сб.92, .3-13.
25. Методические указания по проектированию горных мер эа-иты подрабатываемых объектов - Л.: ВШШ. 1975, с.1-64.
26. Петухов И.А., Земисев В.Н. Особенности процесса сдвиже-ия горных пород при разработках наклонных и крутопадающих плас-ов, Тузла (Югославия), 1975.
27. Земисев В. ¡1. Определение напряжений в угольном пласте с четом сдвижений земной поверхности// Тр.ВШШ - Л., 1975. Сб.96, .33-40.26. Методические указания по исследованию проявлений горного
авления на моделях из эквивалентных материалов, Л.: ВШШ. 1976 -3 с. .
29. Петухов И.А., Земисев В.Н., Нестеров Г.А. Исследование секретности деформаций наносов в Карагандинском угольном бас-зйне//.Тр.ВНИМИ - Л., 1977. Сб.104, с.3-9.
30. Земисев В.Н., Мочалов А.М. Расчет напряжений в массиве э измеренным линейным и угловым деформациям// Тр.ВШШ - Л., Э77. Сб. 104, с.75-83.
31. Методическое пособие по применению радиографических при-эров для измерения сдвижений и деформаций толщи пород, Л.: ВНИШ. 370 - 40 с.
32. A.c. 57I6G7 (СССР). Стенд для моделирования сдвижений на датакте коренных пород и наносов / ВШШ. Авт.изобр. И.А.Петухов, Н.Земисев, Е.А.Овсянко № 2170104/03; заявлено 01.09.75, опубл. Б.И. 05.09.77, № 33.
33. Руководство по расчету и проектированию зданий и соору-;ний на подрабатываемых территориях. М.: Стройиздат, 1977,- 39 с.
34. Гвирцман Б.Я., Бошенятов Е.В., Земисев В.Н. Охрана горных [работок от прорывов воды из подрабатываемых водных объектов при личии разрывных тектонических нарушений// Тр.ВНИШ - Л., 1979. .113, с.37-40.
35. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного ияния подземных горных разработок - М., Недра, 1981 - 288 с.
36. Земисев В.Н. и др. Исследование влияния горных выработок на деформирование крутых склонов поверхности / В.Н.Земисев, Ю.С.Козлов, В.И.Веселков, М.И.Порчхидзе.'- Тр.ВНИМИ - Л., 1976. Сб.100, с.72-75.
37. Петухов И.А., Земисев В.Н., Файнштвйн Ю.Б. Современные методы прогнозирования вероятных сдвижений и деформаций земной поверхности в сложных условиях// Прогнозирование сдвижений и деформаций горных пород и устойчивости бортов разрезов при разработке угольных пластов: сб.научн.тр. - Л.: ВНИМИ, 1981, с.3-10.
38. Методические рекомендации по расчету бескаркасных жилых зданий на ступенчато оседающих подрабатываемых территориях -Киев: НИИСК, 1982, с.39-98.
39. Зеыисев В. Н., Яценко В.Н. Прогноз дискретных деформаций земной поверхности// Сдвижения и деформации массива при разработке месторождений с учетом структуры и механических свойств горных пород: сб.научн.тр. - Л.: ВНИМИ, 1982, с.3-5.
40. Земисев В.Н., Смородина Т.П., Богданов Б.Н. Пути совершенствования методов расчетов сдвижений и деформаций земной поверхности// Совершенствование маркшейдерской службы на горных предприятиях: сб.научн.тр. - Караганда: КПИ, 1982, с.59-63.
41. Руководство по проектированию зданий и сооружений на подрабатываемых территориях - М.: Стройиздат, 1983. 136 е., разделы 1-8.
42. Земисев В.Н., Богданов Б.Н. Дискретность процесса сдвижения и расчет деформаций земной поверхности// Прогноз сдвижений и деформаций сооружений, устойчивости бортов разрезов при разработке угольных месторождений: сб.научн.тр. - Л.: ВНИМИ, 1984,
с.3-5.
43. A.c. II46450 (СССР). Способ защиты подрабатываемых соор; жений и природных объектов при разработке свит полезных ископаемых / ВНИМИ. Авт.изобр. В.Н.Земисев, А.В.Шиптенко, И.А.Петухов, Ю.Б.Файнштейн, Л.В.Стариков № 3568205/22-03; заявлено 28.Ш.83, опубл. в Б.И. 23.03.85, № II.
44. Земисев В.Н. Особенности процесса сдвижения земной поверхности при разработке угольных пластов на большой глубине// Т] У1 Международного конгресса по маркшейдерскому делу - Харрогейт, Англия, 1985, с.80-85.
45. A.c. II7748I (СССР). Способ выемки пластовых полезных ископаемых в свите пластов под охраняемыми объектами / ВНИМИ. Ав' изобр. В.Н.Земисев, Р.А.Муллер, И.А.Петухов » 3579885/22-03; заявлено 15.01.83, опубл. в Б.И. 07.09.85, * 33.
46. Земисев В.Н., Гвирцман Б. Я. О характере зависимости высоты зоны водопроводщпх трещин над выработанным пространством от глубины разработки - Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, Новосибирск, Наука, 1985. № 6, с.103-105.
47. Романова H.A. и др. Программа расчета ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности с автоматизацией графических построений / Н.А.Романова, И.В.Цветкова, А.К.Каллуненко,
В.Н.Земисев, Ю.Н.Гавриленко, Ю.Б.Файнштейн - Л.: ВНИШ. 1985 -58 с.
48. Земисев В.Н., Лгунов A.C., Файнштейн Ю.Б. Принципы прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности в сложных горногеологических условиях// Горно-физические процессы охраны природной среды - Л.: ЛГИ, 1986, с.86-89.
49. Земисев В.Н. Методы прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности под влиянием подземных разработок в сложных горно-геологических условиях// Способы управления деформациями горного массива: сб.научн.тр. - Л.: ВНИШ, IS86, с.76-82.
50. Методические указания по наблюдениям за сдвижением горных пород и за подрабатываемыми сооружениями - Л.: ВНИШ. 1986. 182 с.
51. Петухов И.А., Земисев В.Н., Богданов Б.Н. Оценка дискретности деформаций земной поверхности при подземных разработках// Способы управления деформациями горного массива: сб.научн.тр. -Л.: ВНИШ, 1986, с.72-75.
52. A.c. 1229342 (СССР). Способ выемки угля из предохранительных целиков под водными объектами / ВНИШ. Авт.изобр. Бошенятов Е.В., Гвирцман Б.Я., Земисев В.Н. i? 3745501/22-03; заявлено 25.05.84, опубл. в Б.И. 07.05.86, » 17.
53. Кузнецов Г.Н., Филатов H.A., Земисев В.Н. и др. Методы и средства решения задач горной геомеханики// Исследование сдвижения массива и земной поверхности - М.: Недра, 1987, глава 12, с.214-227.
54. Методические указания по прогнозу сдвижений и деформаций земной поверхности и определении нагрузок на здания при многократных подработках - Л.: ВНИШ. 1987, раздел I, с.3-64.
55. A.c. 1348454 (СССР). Способ защиты объектов от вредного влияния подземных выработок / ВНИШ. Авт.изобр. Г.Л.Фисенко, В.Н.Земисев, Ю.Ф.Кренида, С.А.Медянцев, Е.Я.Кипко, Ю.А.Полозов, В.М.Кулешов № 3914665/29-33; заявлено 16.05.85, опубл. 30.10.87, бюл.№ 40.
56. Земисев В.Н. Методы прогнозирования деформаций земной поверхности при выемке свит пластов в сложных горно-геологических условиях// С6-. докладов УП Международного конгресса по маркшейдерскому делу - Д.: ЬНЙШ, 1988, с.11-16.
57. Земисев В.Н., Файнштейн Ю.Б., Панин Ю. Г. Принципы рационального планирования горных работ в зонах влияния тектонических нарушений// Методы и технические средства маркшейдерских работ: сб.научн.тр. - Д.: ВШШ, 1988, с.86-91.
58. Земисев В.Н., Файнштейн Ю.Б., Панин Ю.Г. Прогноз деформаций земной поверхности в сложных горно-геологических условиях// Уголь - 1988 - № 6, с.12-14.
59. Инструкция по наблюдениям за сдвижением горных пород, земной поверхности и подрабатываемыми сооружениями на угольных и сланцевых месторождениях - М.: Недра, 1989 - 96 с.
60. A.c. 1446301(СССР). Модель для исследования сдвижения подрабатываемого массива горных пород / ВНИМИ. Авт.изобр.
Е.В.Бошенятов, Б.Я.Гвирцман, В.И.Земисев, И.А.Петухов, И.А.Фельдман » 4073149/22-03; заявлено 14.03.86, опубл. в Б.И. 23.12.88, № 47.
61. A.c. 1460265 (СССР). Способ выемки полезных ископаемых под охраняемыми сооружениями / ВШШ. Авт.изобр. Ю.Б.Файнштейн, В.Н.Земисев, Б.Н.Богданов, Ю.Г.Панин № 4219052/22-03; заявлено 31.03.87, опубл. в Б.И. 23.02.89, № 7.
62. Земисев В.Н. Рациональное планирование горных работ под объектами в сложных горно-геологичсских условиях// Совершенствование методов маркшейдерского и i :црогеологйческого обеспечения горнодобывающих предприятий: сб.научн.тр. - Л.: ВНИЖ, 1989,
с.II6-I23.
63. Филатов H.A. и др. Отечественная маркшейдерия и горная геомеханика / Н.А.Филатов, В,И.Борщ-Компониец, В.А.Букринский, И.И.Дсбкин, В.Н.Земисев и др. - М.: Недра, 1987 - 254 с.
64. Петухов И.А., Земисев В.Н., Муллер P.A. Исследование сдвижения земной поверхности и меры защиты подрабатываемых зданий и сооружений / "«кркшейдерское дело в социалистических странах -Острава, 1986, т.10, с.377-383.