книги / Сдвижение горных пород.-1
.pdfМинистерство угольной промышленности СССР
ВСЕСОЮ ЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И М АРКШ ЕЙДЕРСКОГО Д ЕЛ А (ВНИМИ)
СДВИЖЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД
Сборник L XXXIX
Л е н и н г р а д
1 9 7 3
А Н Н О Т А Ц И Я
Сборник содержит статьи о работах, выполненных Всесоюзным научно-исследовательским Институтом гор ной геомеханики и маркшейдерского дела и его филиа лами за последние годы в области исследования сдви жения горных пород и охраны сооружений от вредного воздействия подземных горных разработок и устойчи вости бортов карьеров.
|
|
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ |
|
|
|
|||||
Проф., д-р техн. наук А. Н. Омельченко (отв. редактор), |
проф., д-р |
|||||||||
техн. |
наук |
К. А. Ардашев, |
канд.- |
техн. наук Г. В. Верещагин |
(зам. |
|||||
отв. |
редактора), канд. техи. наук |
Э. Л. Галустьян, |
канд. |
техн. |
наук |
|||||
И. И. Добкин, |
канд. |
техн. |
наук |
И. Б. Житомирский, |
проф., |
д-р |
техн. |
|||
наук |
Г. Н. Кузнецов, |
канд. техн. |
наук |
С. Т. Кузнецов, |
проф., д-р |
техн. |
||||
наук |
Б. И. Никифоров, канд. техн. |
наук |
И. А. Петухов, проф., д-р техн. |
|||||||
наук |
И. М. Петухов, |
проф., |
д-р |
техн. |
наук Г. Л. Фисенко |
(зам. |
отв. |
редактора)
© Всёсоюзный научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела (ВНИМИ). 1973.
ТРУДЫ ВСЕСОЮЗНОГО НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ИНСТИТУТА
ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА (ВНИМИ)
Сб. 89 |
1973 г |
Заслуж. деят. науки и техники РСФСР, докт. техн. наук, проф. А.Н. Омельченко
ВНИМИ — УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Всесоюзный научно-исследовательский институт горной геоме ханики и маркшейдерского дела (ВНИМИ) является головным специализированным институтом Минуглепрома СССР, работаю щим в области исследований сдвижения горных пород и поверх ности под влиянием горных работ; управления горным давлением, мер борьбы с горными ударами, методики и техники маркшейдер ских работ.
Задачей автора является в рамках статьи показать, что же получила угольная промышленность в результате работ ВНИМИ.
1.В области исследований сдвижения горных пород
Всвязи с увеличением застройки угленосных площадей и воз растанием глубины разработки одна из основных мер защиты сооружений и природных объектов от вредного влияния горных работ — оставление предохранительных целиков — становится не выгодной из-за больших потерь угля.
Для разработки других методов охраны сооружений — спе циального порядка ведения горных работ, строительных мер ох
раны — требуется глубокое вскрытие закономерностей процесса сдвижения не только земной поверхности, но и всей подрабаты ваемой толщи горных пород, для чего получили, широкое развитие комплексные исследования, включающие методы механики, моде лирования и натурных наблюдений.
При производстве натурных наблюдений в толще пород исполь
зуются маркшейдерские и геофизические методы. |
; |
Выполненные исследования позволили решать |
вопросы ох |
раны сооружений с использованием предрассчитанных величин сдвижений и деформаций.
Разработан метод частичной выемки предохранительных цели ков, что сделало возможным шире практиковать подработку рек, озер и других объектов.'Только на шахтах комбината «Кузбассуголь» оказалось возможным расконсервироватьоколо 26 млн. т угля, в частности* на шахте им. Кирова извлечено 300 тыс. т угля под р. Иня, а из целика под электрифицированной железной до рогой Юрга-Новокузнецк свыше 1 млн. г. По рекомендациям ВНИМИ на шахтах комбината «Приморскуголь» из предохрани тельных целиков под железными дорогами, водными и другими объектами за последние 10 лет добыто свыше 1,5 млн. т угля.
В настоящее время на основе обобщения многолетних резуль татов исследований -вместо многочисленных правил охраны соору жений на угольных и сланцевых месторождениях институтом со ставлены общие правила охраны сооружений.
Ряд исследований по разработке мероприятий по охране горо дов, поселков и металлургических заводов институт выполняет совместно с научно-исследовательскими организациями социа листических стран. (ПНР, ЧССР, СРР).
Исследования ВНИМИ по разработке конструктивных мер за щиты проектируемых и эксплуатируемых зданий и сооружений при. их подработке начаты в 1954 г. За прошедшее время обоб-. щен опыт подработки зданий в угольных бассейнах страны, иссле дована взаимосвязь деформаций земной поверхности и несущих конструкций зданий различных конструктивных схем и назначений в разных горногеологических условиях, разработаны способы про гнозирования повреждений подрабатываёмых зданий, количест венные методы определения воздействий, оказываемых на здания и сооружения при -их подработке, ц инженерные методы расчета конструктивных мер защиты гражданских зданий (до 9 этажей), одноэтажных и многоэтажных каркасных зданий и стальных тру бопроводов.
Совместно с другими научно-исследовательскими и проектны ми институтами проведены обширные экспериментальные исследо вания в натурных условиях на шахтах Донецкого, Карагандин ского и Кузнецкого бассейнов; разработан комплекс конструктив ных мероприятий по защите зданий, сооружений и коммуникаций от влияния горных работ, установлена сфера его рационального применения и эффективность в различных условиях; разработа ны методы оценки стоимости конструктивных мер защиты и ре монтно-восстановительных работ по<ле подработки.
Разработанные нормативные и инструктивные документы по зволили широко внедрить конструктивные меры защиты проекти руемых зданий в Донецком, Львовско-Волынском, Карагандин ском угольных бассейнах и более обоснованно решать вопросы подработки городов и поселков в угольных бассейнах: Достаточно отметить,, что внедрениё результатов проведенных комплексных исследований обеспечило снижение стоимости защитных конструн-.
тивных мероприятий для зданий, строящихся на подрабатываемых
территориях, с 6—8% |
от стоимости зданий до 2—4%; за период |
с 1959 по 1972 г. на |
угленосных территориях только Донецкого |
и Карагандинского бассейнов построено и сдано в эксплуатацию более , девяти миллионов квадратных метров полезной площади крупнопанельных жилых здании, экономический эффект составил при этом 78 млн. руб. Кроме того, переход на застройку углено сных площадей зданиями с конструктивными мероприятиями для защиты от вредного влияния горных выработок сократил потери угля в предохранительных целиках, что позволит в ближайшие 10— 15 лет получить экономический эффект в 500 млн. руб.
Дальнейшие исследования направлены на разработку мер защиты и методов расчета зданий повышенной этажности ( 12— 16 этажей), инженерных сооружений, здёний и сооружений в ус ловиях сосредоточенных и разрывных деформаций земной поверх ности и на разработку комплексного подхода к обоснованию и назначению эффективных и экономичных конструктивных горных мер защиты и сооружений при подработке крупных городов и про мышленных предприятий.
Увеличение глубины разрезов и срока службы их бортов вызы вает необходимость надежного обеспечения устойчивости откосов. Комплексное исследование этой проблемы проведено во всех ос новных угольных и рудных бассейнах и на всех основных место рождениях.
Научной основой разработки и совершенствования методов расчета устойчивости бортов.разрезов явились результаты натур ных и лабораторных исследований деформаций откосов и аналити ческие решения, базирующиеся на теории предельного равнове сия сыпучей среды.
Комплексные исследования позволили разработать:
—требования к инженерно-геологической и гидрогеологиче ской изученности месторождений полезных ископаемых, подлежа щих открытой разработке;
—методику маркшейдерских наблюдений за деформациями откосов и методику интерпретации результатов наблюдений;
—методы и схемы расчета устойчивости откосов в различных горногеологических условиях;
— способы искусственного, |
укрепления ослабленных |
участ |
ков откосов в. скальных и полускальных породах; |
карьер |
|
— схемы фильтрационных |
расчетов систем осушения |
ных полей.
Указанные разработки отражены в нормативных и инструктив ных документах, которые нашли широкое применение в практике строительства и_эксплуатации разрезов как в нашей стране, так. и за рубежом.
Экономический эффект от внедрения результатов исследований составляет около 50 млн. руб. в год.
2. В области исследований проблем управления горным давлением
. Выбор оптимальных способов и средств управления горным давлением и крепления горных выработок в значительной степени определяет эффективность решения всех технологических вопро сов вскрытия, систем разработки и механизации подготовительных и очистных работ.
Исследования по проблеме управления горным да'влением по следовательно и'планомерно развивались применительно к реше нию наиболее актуальных прикладных задач в очистных, подгото вительных и капитальных выработках.
Важными являются исследования горного давления в длинных очистных забоях с целью разработки научных, основ выбора ра циональных конструктивных схем, оптимальных параметров и рас четных нагрузок механизированных передвижных крепей, обеспе чивающих высокопроизводительную и безопасную разработку угольных пластов в различных горногеологических условиях.
В результате комплексных экспериментальных и теоретических исследований:
—выдвинуто и научно обосновано новое положение о возмож ности работы крепей в принципиально различных режимах: «за данной нагрузки» и «заданной величины и скорости деформаций», имеющее важное практическое значение при анализе механизма силового взаимодействия крепи с вмещающими породами и. оценке экспериментальных данных;
—разработаны инженерные методы прогноза и расчетов ха рактера разрушения пород кровли,-явившиесяг научной базой со временной-классификации кровель с выделением двух принци пиально отличных по характеру разрушения классов: с расслое нием и разрушением на узкие блоки;
—разработаны инженерные методы расчетов необходимой не сущей способности и податливости крепей.
—развиты инженерные методы расчета давления на крепь об рушенных пород и закладки;
—разработаны научные основы активного управления началь ным распором и рабочим сопротивлением механизированных крепей.
Разработанные институтом совместно с ИГД им. А. А. Скочин--
ского и ДонУГИ «Технические требования на конструирова ние механизированных крепей в различных горногеологических условиях применительно к тонким и средней мощности пологим пластам» явились основой для создания и широкого внедрения це лого ряда высокопроизводительных'серийно выпускаемых меха низированных крепей типа М-87, М-81, МК и других. В настоя щее^ время «Технические требования ...» утверждены в качестве ГОСТа.
Разработанные институтом «Технические требования на кон струирование м-еханизированных крепей в различных горногеоло гических условиях применительно к крутым пластам» в настоящее время положены в основу создания механизированных крепей для разработки тонких и средней мощности пластов столбами по па дению и для разработки мощных пластов полосами по простира нию с закладкой.
В результате исследования горного давления с целью разра ботки научных основ выбора эффективных способов управления горным давлением, .рациональных параметров систем разработки и области их применения при разработке мощных пологих, нак лонных и крутых угольных пластов:
— разработаны инженерные методы расчетов целиков различ ного назначёния, позволившие определить область возможного применения камерных и камерно-столбовых систем разработки
иих рациональные параметры;
—разработан инженерный метод расчета полных сдвижений кровли при разработке мощных крутых пластов е закладкой выра ботанного пространства, на основании которого обоснованы тре бования к системам, способам закладки и загадочным материа лам в условиях выемки запасов в предохранительных целиках;
—установлены основные закономерности проявлений горного давления при разработке мощных пологих пластов комбинирован ной системой и наклонными слоями с обрушением, а при разра
ботке крутых пластов — щитовой системой с обрушением и .слое выми системами с закладкой выработанного пространства, на ос новании которых даны практические рекомендации по их парамет рам и области применения.
Практическим итогом данных исследований является разра ботка руководств по расчету целиков и совершенствованию уп равления горным давлением при разработке мощных пологих пла стов. Применительно к разработке мощных крутых платов вы ходным документом являются утвержденные Минуглепромом
СССР «Основные положения разработки Прокопьевско-Киселев- ского меторождения Кузбасса».
В результате проведенных исследований горного давления в подготовительных выработках с целью выбора рациональных спо собов охраны, расчета деформаций и смещений пород и парамет ров крепи подготовительных выработок в типовых торногеологи ческих условиях во всех основных бассейнах страны, их анализа
иобобщения:
—установлено влияние на условия поддержания подготовитель
ных выработок всех основных геологических и горнотехнических факторов;
— разработаны инженерные методы расчета смещений пород при целиковом способе, охраны подготовительных выработок;
— определены |
условия рационального расположения выра |
боток при отработке сближенных пластов; |
|
— обоснована |
техническая необходимость и целесообразность |
перехода на охрану подготовительных выработок без целиков пу тем проведения их вприсечку к выработанному пространству и ох раны с помощью костров, тумб, органной крепи и т. п.
Практическим итогом этих исследований являются утвержден ные Минуглепромом СССР «Указания по охране, поддержанию и рациональному расположению подготовительных выработок на шахтах основных бассейнов страны», а также руководство по под держанию выработок без оставления угольных целиков.
В. последнее десятилетие, в связи с переходом горных работ на большие глубины;' на которых существенно возросли трудности поддержания капитальных горных выработок, институтом выпол нен обширный комплекс исследований с целью обоснования ра ционального места заложения, способов охраны, рациональных конструкций и параметров крепи капитальных выработок глубо ких шахт Донбасса.
В результате этих исследований:
—установлено влияние на условия поддержания капиталь ных выработок основных геологических и горнотехнических фак торов;
—определены критерии оценки условий поддержания капи тальных выработок в соответствии с разделением на классы вме щающих пород по степени устойчивости;
—обоснованы основные требования к месту заложения, рас
стоянию между выработками, размерам целиков, конструкциям и параметрам крепей и технологии проведения и крепления выра боток.
Итогом исследований в данном направлении является^ разра ботка «Указаний по прогнозированию горного давления и выбору параметров крепи капитальных выработок на глубоких горизон тах шахт Донбасса». Аналогичные указания подготовлены и при менительно к поддержанию капитальных выработок в Централь ном районе Донбасса.
Широкий комплекс экспериментальных и теоретических ис следований применительно к условиям охраны и поддержания ство лов на шахтах Донецкого, Кузнецкого, Карагандинского, Печор ского и Львовско-Волынского бассейнов, а также железоруд ных месторождений КМА и Белозерского позволил:
— выявить влияние основных геологических и горнотехниче ских факторов на условия поддержания шахтных стволов;
. — установить необходимые исходные данные и разработать ин женерные методы расчета крепи стволов в обычных и тяжелых горногеологических и гидрогеологических условиях;
— установить закономерности деформаций и сдвижений околоствольного массива под влиянием очистных работ и в результате
водопонижения и обосновать основные мероприятия по охране стволов в этих условиях;
— установить основные закономерности проявлений горного давления при специальных способах проходки стволов.
Практическим итогом этих работ являются разработанные ин женерные методы расчета крепи при отсутствии влияния на ство лы очистных работ (некоторые из них включены в СНиП), а для условий проведения и охраны стволов без оставления околоствольных целиков — «Временные указания по проектированию, строи тельству и эксплуатации крепи и армировки вертикальных стволов угольных шахт в условиях влияния очистных работ».
Наряду с исследованиями горного давления, направленными на решение прикладных задач, в работе института большое вни мание уделялось совершенствованию методики и техники иссле дований.
В этом направлении следует отметить разработанный во ВНИМИ и широко внедренный во всех НИИ угольной и горно рудной промышленности метод исследований горного давления на моделях из эквивалентных материалов, обеспечивший значи тельное ускорение решения многих практических задач и сущест венно повысивший научную обоснованность выводов и практиче ских рекомендаций. Существенное развитие в институте также получил метод исследований на моделях из оптически-активных материалов, с помощью которого решен ряд новых задач о рас пределении напряжений вокруг горных выработок, в том числе и с образованием зоны пластических деформаций.
Разработаны стандартные методы испытаний пород, в том чис ле и в полевых условиях, и требования к испытанию свойств пород на стадиях разведки месторождений и строительства шахт.
Из работ института по созданию аппаратуры для шахтных исследований горного давления следует, в первую очередь, упо мянуть комплекты приборов струнного метода измерений нагру зок и деформаций и метода разгрузки для измерения напряжений.
Методические разработки института завершены изданием ряда методических работ, например: «Общих методических положений комплексного исследования проблем горной геомеханики» и «Ме тодических указаний по исследованию горного давления на уголь ных и сланцевых шахтах».
3. В области.борьбы с горными ударами
♦
Решение проблемы борьбы с горными ударами имеет большое научное и народнохозяйственное значение.
Осуществление комплексных исследований в различных горно геологических условиях Кизеловского, Кузнецкого, Печорского и других бассейнов и месторождений позволило получить объектив ные данные о причинах и природе горных ударов, разработать
комплекс мер борьбы с ними. Предложена и научно подтвержде на гипотеза о механизме проявления горных ударов, согласно которой в подготовке и проявлении горного удара принимает участие вся система «боковые породы—уголь». Разработана тео рия распространения волн разрушения при горных ударах в пла сте угля (породе). Разработаны аналитические методы расчета энергии горных ударов разных классов.
Создана теория защитных пластов, как наиболее радикальной меры борьбы с горными ударами и другими динамическими явле ниями, и разработаны принципы их эффективного использования.
. Разработан комплекс безопасных способов ведения горных ра бот на удароопасных пластах,в основу которого заложены следую щие принципы:
—снижение горного давления на угольный пласт или его участки;
—снижение способности краевых частей угольного пласта к
упругому деформированию;
— защита людей и горных выработок от последствий горных ударов;
— управление процессом хрупкого разрушения* пласта угля;
— создание на шахтах научно обоснованной службы прогноза степени удароопасности участков угольных пластов и оценки эф фективности применяемых мер борьбы с ударами.
Отличительной особенностью подхода к решению проблемы горных ударов* в нашей стране является внедрение профилакти ческих мер борьбы с горными ударами в стадии проектирования и строительства новых шахт и глубоких горизонтов действующих шахт. Это оказывается возможным благодаря своевременному прогнозу степени удароопасности месторождений.
В результате внедрения разработанного комплекса мер резко сократилось число горных ударов на шахтах страны. Среднегодо вое количество ударов с 1955 по 1973 г. в расчете на одну шахту сократилось в 28 раз. В наиболее опасном по горным ударам Кизеловском бассейн»1 число ударов на 1 млн. тдобычи угля с ударо опасных пластов сократилось в 1971— 1973 гг. по сравнению с 1954—1955 гг. более чем в 60 раз.
При этом планомерное внедрение разработанных мер борьбы с горными ударами приводит, кроме обеспечения безопасности ве дения горных работ, к упорядочению отработки шахтного поля и месторождения в целом, снижает потери угля в недрах, улучшает условия поддержания горных выработок. В 1971 г. за разработку институтом и внедрение мер борьбы с горными ударами на шах тах СССР присуждена Государственная премия.
Разработанные ВНИМИ теория, принципы, и схемы использо вания защитных пластов для предотвращения внезапных выбро сов угля и газа применительно к каждой шахте Донецкого, Куз нецкого, Печорского и Карагандинского бассейнов позволяют