РАЗДЕЛ 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ ОТ ГЛУБИНЫ РАЗРАБОТКИ
2.1. Параметры процесса сдвижения подработанного массива горных пород и земной поверхности
В результате выемки полезного ископаемого все точки подработанной геологической толщи и земной поверхности претерпевают геостатическое изменение. В пределах шахтного поля горный массив, как по глубине разработки, так и в плане испытывает различные деформации. Характер и интенсивность их проявления определяется горно-геологическими условиями, физико-механическими свойствами горных пород, технологическими и другими факторами при выемке угольных пластов.
Известно, что угольные месторождения относятся к осадочному чехлу земной коры, а вмещающие породы характеризуются физико-механическим свойствами. На основании установленных закономерностей преобразования осадков в период угольного генезиса и сформировавшихся после диагенетических изменений в массиве пород, осадочные отложения в процесса катагенеза подразделяются на три этапа: протокатагенез (ранний), мезокатагенез (средний), апокатагенез (поздний) [63]. В зависимости от этапа преобразования (катагенеза) породы характеризуются по комплексу признаков: физико-механическим свойствам (пористость, отношение к воде и др.), структурой, характером новообразований, геологическими условиями [64, 65]. Породы раннего катагенеза характеризуются высокой пористостью (40-15 %), слабо сцементированными породами и склонными к размоканию глинами. Породы среднего катагенеза были сильнее подвержены физико-химическим и термодинамическим условиям преобразования, что привело к сцементированию пород, выдавливанию воды из пор и снижению пористости (20-10 %). Этап позднего катагенеза отражается в цементировании зернистых пород через гидрослюдацию и начальную кристаллизацию карбонов и глинистых пород, пористость уменьшается с 15-10 до 5-3 %, а глины утрачивают способность к размоканию.
Шкала катагенеза базируется, главным образом, на свойствах органического вещества. Наиболее чутким индикатором являются ископаемые угли и углистое органическое вещество [64]. Следовательно, используемая в нормативных документах [10] классификация угольных месторождений по маркам угля отражает принадлежность вмещающей толщи к одному из этапов катагенеза. Непосредственно на Украине к этапу раннего катагенеза принадлежат следующие угольные месторождения: Днепровское месторождение бурых углей, Львовско-Волынский бассейн, Западный Донбасс; среднего - Донецко-Макеевский район; позднего - восточная часть Донбасса.
Таким образом, при исследованиях процесса сдвижения подработанного массива горных пород необходим анализ состояния вмещающей толщи и физико-механических свойств горных пород. Однако при этом следует учитывать, что одни и те же свойства горных пород классифицируются с различных позиций. Например геологические исследования осадочных горных пород классифицируются по этапам катагенеза, горно-технологические по стадиям метаморфизма добываемых углей или углевмещающей толщи [66-69].
Для решения поставленных задач проведен анализ результатов инструментальных наблюдений выполненными учеными и специалистами УкрНИМИ, НГУ, ИГТМ НАНУ, ДНТУ, КТУ и другими организациями [4-12, 55, 70] за продолжительный период времени на наблюдательных станциях, расположенных на поверхности шахт и в подземных выработках в различных районах Донбасса. Результаты наблюдений по шахтам Западного Донбасса, Донецкого района и Львовско-Волынского бассейна были сгруппированы по критерию прочности вмещающих пород. Из полученных групп были отобраны результаты наблюдений по тем станциям, которые расположены в районах разработки одиночными лавами пологих угольных пластов с мощностью от 0,7 м до 1,2 м (табл. 2.1)
.
Таблица 2.1
Сдвижения и деформации земной поверхности при подземной выемке угля
Параметры сдвиженияГлубина разработки, мСтепень метаморфизма и крепость пород по Протодьяконовуслабая, f=2?5средняя, f=6?10высокая,
f=11?1512345Виды деформаций земной поверхностиОседание земной поверхности, ?, мм50-100
100-250
250-500
500-700
900750-850
550-800
470
-550-800
350-500
300-500
200-280
220250-600
150-300
100-150
-Растяжения,
?р, 1·10-350-100
100-250
250-500
500-700
9008,0-9,5
5,0-7,5
2,0
-6,0-7,0
2,5-3,5
1,1-1,8
0,2-2,0
0,5-
2,0-3,0
0,6-1,3
-Сжатия, ?сж, 1·10-350-100
100-250
250-500
500-700
90012,0-13,0
6,0-7,05
4,0-5,0
1,2-1,5
-2,4-4,0
2,0-3,5
0,5-2,0
0,7-0,8
0,72,0-3,5
1,5-3,9
1,0-1,5
-Отношение оседания к мощности пласта, ?/m50-100
100-250
250-500
500-700
9000,9-0,6
0,85-0,7
0,7-0,6
0,5-0,3
-0,8-0,6
0,7-0,6
0,6-0,4
0,4-0,3
0,170,7-0,4
0,6-0,2
0,5-0,4
-Кривизна, k, 1·10-350-100
100-250
250-500
500-700
90016,0-14,0
14,0-9,0
9,0-6,0
5,0-4,0
-14,0-10,0
9,0-8,0
5,0-3,0
4,0-3,0
1,513,5-10,0
7,0-6,0
4,0-3,0
-Расстояние от разрезной печи до забоя лавы, при котором начинается процесс сдвижения (в долях един. от глубины разработки, Н), м0,2Н0,4Н
(для ш. им. Засядько 0,5Н)0,7НРасстояние между растяжениями и сжатиями в динамической мульде сдвижения, м50-7575-100100-170Расстояние между зонами растяжения и сжатия при подвигании забоя. Шаг обрушения основной кровли, м20-5050-9090-150
На основании анализа результатов инструментальных наблюдений за сдвижением подработанного массива горных пород и земной поверхности и исследований напряженно-деформированного состояния подработанных пластов [35, 71-74] определены следующие параметры процесса сдвижения:
* средняя скорость развития деформации растяжений по плоскости сдвижения;
* максимальное оседание земной поверхности;
* скорость оседания подработанного массива и земной поверхности;
* угол естественного сдвижения подработанной толщи.
2.2. Коэффициент главного вектора сдвижения
В основу исследований параметров процесса сдвижения подработанного массив