книги / Сдвижение горных пород.-1

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.

редактора)

© Всёсоюзный научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела (ВНИМИ). 1973.

ТРУДЫ ВСЕСОЮЗНОГО НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ИНСТИТУТА

ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА (ВНИМИ)

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

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

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;

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;

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