Изучение скорости развития деформаций в массиве на основе маркшейдерских наблюдений на земной поверхности
Цель. Обоснование на основе инструментальных маркшейдерских измерений скорости перемещения деформаций растяжений в горном массиве для их использования при управлении горным давлением и обеспечения безопасности горных разработок. Результаты. Обобщены инструментальные маркшейдерские наблюдения за сдв...
Saved in:
| Date: | 2017 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України
2017
|
| Series: | Розробка родовищ |
| Online Access: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/133624 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Изучение скорости развития деформаций в массиве на основе маркшейдерских наблюдений на земной поверхности / М. Четверик, Е. Бубнова, Е. Бабий // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2017. — Т. 11, вип. 1. — С. 57-64. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-133624 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1336242018-06-04T03:04:17Z Изучение скорости развития деформаций в массиве на основе маркшейдерских наблюдений на земной поверхности Четверик, М. Бубнова, Е. Бабий, Е. Цель. Обоснование на основе инструментальных маркшейдерских измерений скорости перемещения деформаций растяжений в горном массиве для их использования при управлении горным давлением и обеспечения безопасности горных разработок. Результаты. Обобщены инструментальные маркшейдерские наблюдения за сдвижением массива горных пород и поверхности. На их основе определена скорость перемещения деформаций. Установлена взаимосвязь между скоростью перемещения деформаций, скоростью перемещения очистного забоя, глубиной разработки, высотой зоны расслоений. Исходя из параметров динамической мульды сдвижения, установлен объем разрушенных пород, который проявляет себя как горное давление. Научная новизна. Впервые, на основе инструментальных наблюдений, определена скорость перемещения деформаций растяжений в породах различной степени литификации. Определена высота зоны расслоений в массиве подработанных горных пород на основе установленной взаимосвязи между скоростью перемещения деформаций, скоростью перемещения очистного забоя, шагом обрушения основной кровли. Значение высоты зоны расслоения предопределяет величину горного давления. Мета. Обґрунтування на основі інструментальних маркшейдерських вимірювань швидкості переміщення деформацій розтягнень у гірському масиві для їх використання при управлінні гірським тиском і забезпечення безпеки гірничих розробок. Результати. Узагальнено інструментальні маркшейдерські спостереження за зрушенням масиву гірських порід і поверхні. На їх основі визначено швидкість переміщення деформацій. Встановлено взаємозв’язок між швидкістю переміщення деформацій, швидкістю переміщення очисного вибою, глибиною розробки, висотою зони розшарувань. Виходячи з параметрів динамічної мульди зрушення, встановлений обсяг зруйнованих порід, який проявляє себе як гірський тиск. Наукова новизна. Вперше, на основі інструментальних спостережень, визначена швидкість переміщення деформацій розтягнень у породах різного ступеню літіфікації. Визначено висоту зони розшарувань у масиві підроблених гірських порід на основі встановленого взаємозв’язку між швидкістю переміщення деформацій, швидкістю переміщення очисного забою, кроком обвалення основної покрівлі. Значення висоти зони розшарування зумовлює величину гірського тиску. Purpose. Basing on the instrumental surveying measurement, to determine the rate of tensile strain displacements in the rock mass, and to use the obtained data for controlling rock pressure and ensuring job safety. Findings. Results of the instrumental surveying monitoring of the rock mass and surface displacements were generalized, and on their basis, the rate of deformation displacement was determined. Interdependence between the rate of deformation displacement, velocity of the stope advance, depth of mining and height of sheeted zone was specified. Taking into account parameters of the dynamic displacement trench, the volume of destroyed rocks was determined, which manifested itself as rock pressure. Originality. It is for the first time when, on the basis of instrumental observations, the rate of the tensile strain displacement in the rocks with varying degrees of lithification was defined. The height of sheeted zone in the undermined mass was determined on the basis of the established interdependence between the rate of deformations displacements, stope advance velocity, and the step of the main roof rock fall. The value of the sheeted zone height determines the value of the rock pressure. Авторы выражают благодарность сотрудникам Института геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины, Донецкого национального технического университета и УкрНИМИ НАН Украины за экспериментальные исследования, использованные в данной статье и поддержку. 2017 Article Изучение скорости развития деформаций в массиве на основе маркшейдерских наблюдений на земной поверхности / М. Четверик, Е. Бубнова, Е. Бабий // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2017. — Т. 11, вип. 1. — С. 57-64. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 2415-3435 DOI: doi.org/10.15407/mining11.01.057 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/133624 622.834.53:622.831.24 ru Розробка родовищ УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Цель. Обоснование на основе инструментальных маркшейдерских измерений скорости перемещения деформаций растяжений в горном массиве для их использования при управлении горным давлением и обеспечения безопасности горных разработок.
Результаты. Обобщены инструментальные маркшейдерские наблюдения за сдвижением массива горных пород и поверхности. На их основе определена скорость перемещения деформаций. Установлена взаимосвязь между скоростью перемещения деформаций, скоростью перемещения очистного забоя, глубиной разработки, высотой зоны расслоений. Исходя из параметров динамической мульды сдвижения, установлен объем разрушенных пород, который проявляет себя как горное давление.
Научная новизна. Впервые, на основе инструментальных наблюдений, определена скорость перемещения деформаций растяжений в породах различной степени литификации. Определена высота зоны расслоений в массиве подработанных горных пород на основе установленной взаимосвязи между скоростью перемещения деформаций, скоростью перемещения очистного забоя, шагом обрушения основной кровли. Значение высоты зоны расслоения предопределяет величину горного давления. |
| format |
Article |
| author |
Четверик, М. Бубнова, Е. Бабий, Е. |
| spellingShingle |
Четверик, М. Бубнова, Е. Бабий, Е. Изучение скорости развития деформаций в массиве на основе маркшейдерских наблюдений на земной поверхности Розробка родовищ |
| author_facet |
Четверик, М. Бубнова, Е. Бабий, Е. |
| author_sort |
Четверик, М. |
| title |
Изучение скорости развития деформаций в массиве на основе маркшейдерских наблюдений на земной поверхности |
| title_short |
Изучение скорости развития деформаций в массиве на основе маркшейдерских наблюдений на земной поверхности |
| title_full |
Изучение скорости развития деформаций в массиве на основе маркшейдерских наблюдений на земной поверхности |
| title_fullStr |
Изучение скорости развития деформаций в массиве на основе маркшейдерских наблюдений на земной поверхности |
| title_full_unstemmed |
Изучение скорости развития деформаций в массиве на основе маркшейдерских наблюдений на земной поверхности |
| title_sort |
изучение скорости развития деформаций в массиве на основе маркшейдерских наблюдений на земной поверхности |
| publisher |
УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України |
| publishDate |
2017 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/133624 |
| citation_txt |
Изучение скорости развития деформаций в массиве на основе маркшейдерских наблюдений на земной поверхности / М. Четверик, Е. Бубнова, Е. Бабий // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2017. — Т. 11, вип. 1. — С. 57-64. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| series |
Розробка родовищ |
| work_keys_str_mv |
AT četverikm izučenieskorostirazvitiâdeformacijvmassivenaosnovemarkšejderskihnablûdenijnazemnojpoverhnosti AT bubnovae izučenieskorostirazvitiâdeformacijvmassivenaosnovemarkšejderskihnablûdenijnazemnojpoverhnosti AT babije izučenieskorostirazvitiâdeformacijvmassivenaosnovemarkšejderskihnablûdenijnazemnojpoverhnosti |
| first_indexed |
2025-07-09T19:19:14Z |
| last_indexed |
2025-07-09T19:19:14Z |
| _version_ |
1837198220245073920 |
| fulltext |
Founded in
1900
National Mining
University
Mining of Mineral Deposits
ISSN 2415-3443 (Online) | ISSN 2415-3435 (Print)
Journal homepage http://mining.in.ua
Volume 11 (2017), Issue 1, pp. 57-64
57
UDC 622.834.53:622.831.24 https://doi.org/10.15407/mining11.01.057
ИЗУЧЕНИЕ СКОРОСТИ РАЗВИТИЯ ДЕФОРМАЦИЙ В МАССИВЕ
НА ОСНОВЕ МАРКШЕЙДЕРСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ
НА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
М. Четверик1, Е. Бубнова1*, Е. Бабий1
1Отдел геомеханических основ технологий открытой разработки месторождений, Институт геотехнической механики
им. Н.С. Полякова НАН Украины, Днепр, Украина
*Ответственный автор: e-mail bubnova@nas.gov.ua, тел. +380562466002, факс: +380562462426
THE RATE OF DEFORMATION DEVELOPMENT IN THE ROCK MASSIF
ON THE BASIS OF SURVEYING MONITORING ON THE EARTH SURFACE
M. Chetveryk1, O. Bubnova1*, K. Babiy1
1Department of Geomechanics of Mineral Opencast Mining Technology, Institute of Geotechnical Mechanics named after
M.S. Polyakov of the National Academy of Sciences of Ukraine, Dnipro, Ukraine
*Corresponding author: e-mail bubnova@nas.gov.ua, tel. +380562466002, fax: +380562462426
ABSTRACT
Purpose. Basing on the instrumental surveying measurement, to determine the rate of tensile strain displacements in
the rock mass, and to use the obtained data for controlling rock pressure and ensuring job safety.
Methods. The rate of deformation development in different types of rocks was defined on the basis of statistical
processing of the surveying monitoring results applying the theory of layer-by layer block rockfall.
Findings. Results of the instrumental surveying monitoring of the rock mass and surface displacements were gener-
alized, and on their basis, the rate of deformation displacement was determined. Interdependence between the rate of
deformation displacement, velocity of the stope advance, depth of mining and height of sheeted zone was specified.
Taking into account parameters of the dynamic displacement trench, the volume of destroyed rocks was determined,
which manifested itself as rock pressure.
Originality. It is for the first time when, on the basis of instrumental observations, the rate of the tensile strain dis-
placement in the rocks with varying degrees of lithification was defined. The height of sheeted zone in the under-
mined mass was determined on the basis of the established interdependence between the rate of deformations dis-
placements, stope advance velocity, and the step of the main roof rock fall. The value of the sheeted zone height
determines the value of the rock pressure.
Practical implications. The obtained data about the velocity of deformation displacement in the undermined rock
mass allow to control rock pressure and improve efficiency of mining operations and their safety.
Keywords: underground mining, rate of deformation, dynamic trench, surveying monitoring of displacement
1. ВВЕДЕНИЕ
Одной из главных проблем при подземной вымке
полезных ископаемых является изучение проявлений
деформационных процессов в подработанном
массиве горных пород, которые характеризуют
закономерности горного давления. Деформационные
процессы происходят как при выемке полезного
ископаемого, так и продолжительный период после
ее окончания, а также после закрытия предприятия.
Информация о деформационных процессах в
массиве горных пород базируется, как правило, на
теоретических исследованиях, в основу которых
закладываются результаты наблюдений за процессом
сдвижения земной поверхности и маркшейдерского
контроля состояния горных выработок.
Однако наряду с этим проводятся исследования
непосредственно деформационных процессов и
горного давления в массиве с применением:
– экстензометров специальной конструкции,
устанавливаемых на станции наземной поверхности в
зоне влияния очистных работ и на крепи горных
выработок. Обработка результатов таких наблюдений
по мнению авторов (Yasin, Umetsu, Tatsuoka, Arthur, &
Dunstan, 1999) позволит установить не только
характеристики развития деформационных процессов
в трех плоскостях, но и определить взаимосвязь между
деформациями на земной поверхности и в массиве;
M. Chetveryk, O. Bubnova, K. Babiy. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(1), 57-64
58
– методов визуального внутрискважинного
контроля (Shevchenko & Zaitsev, 2014) и много-
канальной сейсмоаккустики (Bulat, 2004), которые
позволяют определить наличие и динамику
раскрытия трещин в массиве и характеризуют напря-
женно-деформированное состояние массива вокруг
горных выработок;
– станций контроля деформаций (Mark, Mucho, &
Dolinar, 1998), используемых для получения данные
о горизонтальных деформациях в зоне влияния очис-
тного забоя и др.
Однако применяемые способы исследования
деформационных процессов и горного давления в
массиве носят локальных характер и ограничиваются
радиусом до 30 м вокруг выработки, что не позволяет
установить их развитие выше этой зоны.
При экспериментальных исследованиях на земной
поверхности и в массиве горных пород определяется
продолжительность сдвижения, однако скорости
перемещения деформаций растяжения в подраба-
тываемом массиве не производят.
Фундаментальной базой в изучении деформа-
ционных процессов в горном массиве и горного
давления являются гипотезы С.Г. Авершина и
А.Н. Динника, представляющие два направления в
геомеханике углепородного массива. Первое, осно-
воположником которого является С.Г. Авершин,
основано на инструментальных измерениях сдвиже-
ния массива горных пород и земной поверхности с
разработкой эмпирико-аналитических моделей. Вто-
рое, заложенное А.Н. Динником, представляет теоре-
тические методы, основанные на гипотезах горного
давления исходя из механики сплошных сред. В обо-
их направлениях на протяжении многих лет получе-
ны весьма существенные научные результаты. Одна-
ко, некоторые гипотезы, принятые в теоретических
методах изучения горного давления, не согласуются
с инструментальными наблюдениями. Так,
А.Н. Динник внес следующую гипотезу: “Если рас-
сматривать горную породу, как упругое тело, то в
таких же условиях находится кубик, мысленно выде-
ленный из слоя горной породы, лежащей на глубине
Н от дневной поверхности и неопределенно прости-
рающейся во все стороны. Если вышележащая поро-
да однородна, то:
qHy =σ , кг/м2, (1)
где:
σу – гидростатическое давление;
q – вес единицы объема породы, кг/м3.
Очевидно, что в данном случае σх = σу = σ. Так как
изменению длины горизонтального ребра мешает
порода, то τх = 0”.
Эту гипотезу при исследовании горного давления
используют многие исследователи в дальнейшем.
Приведенная теория имеет недостатки:
– в расчетной схеме при выемке угля предполагает-
ся, что напряжения возникают мгновенно по всей глу-
бине подработки, что не согласуется с инструменталь-
ными наблюдениями, так как по инструментальным
наблюдениям продолжительность сдвижения составляет
месяцы и годы в зависимости от глубины разработки;
– сдвижение массива происходит впереди очист-
ного забоя (под динамическим углом) при глубинах
до 1200 м, что зафиксировано инструментально; а в
теоретических расчетных схемах принимают напря-
жения по нормали к поверхности;
– деформации растяжения доходят от забоя до
земной поверхности не мгновенно, а за продолжи-
тельный период, то есть с определенной скоростью,
которая зависит от свойств пород, глубины их распо-
ложения и др. (Chetverik & Androshchuk, 2004).
Поэтому возникают глубокие сомнения относи-
тельно правильности общепринятой схемы расчета.
2. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
2.1. Горное давление в виде сдвигающихся блоков
Теория горного давления на основе сдвигающихся
блоков и скорости перемещения деформаций в подра-
ботанном массиве горных пород (Chetverik & Andro-
shchuk, 2004) исключает вышеуказанные недостатки.
Как доказано практикой, при подземной выемке
угля происходит обрушение основной кровли с опре-
деленной закономерностью (Weisdack & Kvitkovich,
2005). Она характеризуется как шаг обрушения ос-
новной кровли (Рис. 1), то есть блоками. Его пара-
метры зависят как от свойств пород, так и скорости
перемещения забоя.
0 20 40 60 80 100 120 140
0
20
40
60
80
100
120
Ш
аг
о
бр
уш
ен
ия
(п
ер
ви
чн
ы
й)
, м
Скорость подвигания, мес
Рисунок 1. Зависимость шага обрушения кровли от скоро-
сти подвигания очистного забоя (Ivanov, 2011)
Рассмотрим процесс подработки трех блоков гор-
ных пород при перемещении очистного забоя по вы-
емке угля с постоянной скоростью (Рис. 2). При пере-
мещении очистного забоя был подработан блок I на
величину шага обрушения основной кровли LБ и нача-
лась подработка блока II. При обрушении, блок I осел
на почву пласта (Рис. 2а). Поскольку блок II только
подрабатывается и не осел, то в породах между бло-
ками I и II возникли деформации с разрывом сплош-
ности пород в виде трещины (зона растяжений между
блоками I и II). Деформации тем больше, чем больше
мощность пласта. Образовавшаяся трещина отрыва
постепенно перемещается с определенной скоростью
вверх по плоскости сдвижения, наклоненной под уг-
лом ω. Затем, после подработки блока II и переходе
очистного забоя к выемке угля под блоком III, оседает
на почву пласта блок II (Рис. 2б). Поскольку блок I
лежит на почве пласта, а блок II также ложится на
почву пласта, то между этими блоками внизу возни-
кает зона сжатий. Это вызвано еще тем, что между
блоками II и III возникла новая зона растяжений.
M. Chetveryk, O. Bubnova, K. Babiy. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(1), 57-64
59
(а)
(б)
Рисунок 2. Схема к обоснованию образования при подра-
ботке блоков зон растяжений, сжатий, зоны
расслоений: (а) образование зон растяжений
при обрушении блока I; (б) образование зоны
расслоений и сжатий
В результате нижняя часть блока II смещается к
блоку I. Зона сжатий перемещается вверх за зоной
растяжения. Этому способствует вновь образовавша-
яся, и перемещающаяся вверх зона растяжений меж-
ду блоками II и III. На определенной высоте зона
растяжений между блоками I и II сменяется сжатия-
ми и образуется зона расслоений. В дальнейшем цикл
повторяется. Выше зоны расслоений сдвижение гор-
ных пород происходит блоками больших размеров
без разрыва их сплошности.
Из приведенной схемы следует, что разрушенные
горные породы, которые налегают на консоль, обра-
зовавшуюся в очистном забое, будут проявляться в
виде горного давления. Для того, чтобы установить
объем этих пород, необходимо определить высоту
зоны расслоений.
2.2. Определение высоты зоны расслоений
Как следует из изложенного выше, зона расслое-
ний образуется после обрушения двух блоков. Тогда
высота зоны расслоений может быть определена
следующим образом:
д
з
б
p V
V
L
H
2
= , м, (2)
где:
Vз – скорость перемещения очистного забоя, м/сут;
Lб – шаг обрушения основной кровли, м;
Vд – скорость перемещения деформаций растяже-
ний в массиве, м/сут.
В приведенной формуле не учитывается мощ-
ность пласта, на величину которой опустились под-
работанные блоки. В связи с большой высотой зоны
расслоений по отношению к мощности пласта, то ею
можно пренебречь.
Таким образом, для того чтобы установить высоту
зоны расслоений горных пород, а затем и объем разру-
шенных пород, которые проявляют себя как горное
давление, необходимо определить скорость перемеще-
ния деформаций растяжений в массиве горных пород.
2.3. Определение скорости перемещения
деформаций растяжений по плоскости сдвижения
Скорость перемещения деформаций растяжений в
подработанном горном массиве определена на осно-
вании экспериментальных исследований.
1. На основании данных инструментальных
наблюдений на угольных шахтах СССР, приведенных
в “Правилах охраны сооружений и природных объек-
тов от вредного влияния подземных разработок”
(1981 г.), определены скорости развития деформаций
растяжений в подработанном массиве по плоскости
сдвижения (Chetverik & Androshchuk, 2004), которые
приведены в Таблице 1.
Таблица 1. Скорость развития деформаций растяжений
по плоскости сдвижения
Показатели
Степень литификации пород
слабая средняя высокая
Скорость развития
деформаций по плоскости
сдвижения, м/сут
6 – 10 10 – 15 15 – 20
Длина сдвигающихся
блоков, м (шаг обрушения
основной кровли)
20 – 60 60 – 120 120 – 200
Длина сдвигающихся блоков зависит как от проч-
ности горных пород, так и скорости перемещения
забоя. При большой скорости перемещения забоя
деформации горных пород распространяются на
меньшую высоту.
2. Инструментальные наблюдения за оседанием
земной поверхности при большой глубине разработ-
ке и больших скоростях перемещения забоев выпол-
нены Донецким государственным техническим уни-
верситетом (ДонНТУ) в условиях выемки угля на
глубине 1200 м на шахте им. Засядько (Havrylenko,
Papazov, & Morozova, 2000).
Горнотехнические параметры следующие: глуби-
на разработки – 1195 м; вынимаемая мощность пла-
ста – 2.1 м; угол падения пласта – 10°; длина лавы –
250 м; среднемесячное подвигание забоя – 90 м/мес
или 3 м/сут; крепость пород по Протодьяконову –
5 – 10; длина обрушаемого блока – 60 м.
Инструментальные измерения оседания земной
поверхности проводили на наблюдательной станции,
M. Chetveryk, O. Bubnova, K. Babiy. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(1), 57-64
60
которая состояла из линии реперов, а также из серии
реперов, расположенных в охраняемом здании. Репе-
ры располагали параллельно линии забоя. Они уда-
лены от проекции разрезной печи на 250 м, что со-
ставляет 0.2 глубины горных работ (характерным
является репер 8). Группа реперов в здании удалена
от проекции разрезной печи на 670 м или 0.55 Н
(характерным является репер 1).
Репер 8 стал активно оседать при отходе забоя от
разрезной печи на 255 м (при расположении забоя в
створе репера).
Данные о сдвижении репера 1:
– при расположении забоя на расстоянии 0.18 Н
от створа репера не зафиксировано его оседание; с
этого момента определили динамический угол сдви-
жения, равный 80°;
– оседание репера 1 началось на 3.85 месяца поз-
же оседания репера 8;
– активная стадия начинается также как и 8 репера,
в период расположения забоя в створе репера 1;
– активная стадия заканчивается через 0.5 Н от
створа репера.
Скорость перемещения деформаций для репера 8
составила 15.1 м/сут, а для репера 1 – 11.1 м/сут,
средняя – 13.1 м/сут.
Из приведенных данных определили высоту распо-
ложения зоны расслоений, которая составила 487.3 м.
3. На основе инструментальных наблюдениях, ко-
торые были проведены на шахте “Глубокая”
(Kulibaba, 2004), было установлено, что в различные
периоды процесса сдвижения скорость его распро-
странения в массиве не одинакова. Наблюдения про-
водились при подработке вентиляционного ствола
№1 двумя спаренными лавами в следующих услови-
ях: средняя глубина разработки – 541 м; вынимаемая
мощность пласта – 1.15 м; общая длина двух подра-
батывающих лав – 400 м, управление кровлей – пол-
ное обрушение; месячное подвигание очистных забо-
ев в пределах целика – до 20 м.
Инструментальные наблюдения за процессом
сдвижения проводились по 17-ти парам реперов,
заложенных в породу и крепь ствола. Среднее рас-
стояние по вертикали между соседними парами ре-
перов составляло 25.4 м. В процессе инструменталь-
ных наблюдений определялись оседания реперов на
различные моменты процесса сдвижения. В резуль-
тате наблюдений было установлено, что скорость
распространения процесса сдвижения в массиве от
зумпфа ствола к его устью в своей активной стадии
являлась неравномерной.
Профессором С.Б. Кулибабой было введено по-
нятие временного градиента нормированных оседа-
ний массива G. То есть, принимается период в сут-
ках, за который некоторое нормированное оседание
распространяется вверх на 100 м по подрабатывае-
мому массиву. На Рисунке 3а приведены графики
изменения усредненных значений G в период ак-
тивной стадии процесса сдвижения по оси рассмат-
риваемого ствола.
Недостатком этого графика является то, что он не
показывает, как изменяется скорость перемещения
деформаций в массиве.
(а) (б)
Рисунок 3. Градиент нормированных оседаний массива
G (а) по (Kulibaba, 2004); изменение скорости
перемещения деформаций растяжений в
массиве на разной глубине (б)
Поэтому, опираясь на данные (Kulibaba, 2004),
построен график изменения скорости деформаций
(Рис. 3б). Из Рисунка 3 видно, что скорость разви-
тия деформаций растяжений от забоя к поверхности
неравномерна.
Используя стратиграфическую колонку и полу-
ченные инструментальные данные, определены ско-
рости перемещения деформаций для различных по-
род, слагающих массив (Табл. 2).
Таблица 2. Скорость развития деформаций растяже-
ний в породах в зависимости от глубины
разработки
Глубина, м Мощность, м Скорость, м/сут
Песчаник
50.0 6.6 37.0
86.3 6.6 27.0
92.9 13.2 27.0
109.9 26.4 23.0
142.9 19.8 11.5
169.8 13.2 14.5
209.9 3.3 8.0
250.0 6.6 9.5
283.0 6.6 5.5
289.6 6.6 5.0
303.3 16.5 4.5
326.4 9.9 7.0
Сланцы
83.0 3.3 27.0
139.6 3.0 11.5
163.2 6.5 16.0
183.0 4.9 11.5
226.4 3.0 7.5
235.0 3.0 8.5
259.9 10.0 10.0
295.0 6.5 4.5
319.8 3.0 6.0
323.1 3.0 6.0
336.3 3.0 6.5
M. Chetveryk, O. Bubnova, K. Babiy. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(1), 57-64
61
На основании полученных данных, приведенных
в Таблице 2, установлены закономерности деформа-
ционных процессов, которые проявляются при пере-
мещении зоны растяжений в массиве подработанных
горных пород (Рис. 4).
Рисунок 4. Зависимость скорости развития деформаций
в массиве горных пород от глубины их распо-
ложения в подрабатываемом массиве
Определим высоту зоны расслоений горных по-
род в подработанном массиве теоретически. Для
этого воспользуемся следующими данными: скорость
развития деформаций для пород средней степени
метаморфизма VД = 8 м/сут; шаг обрушения основной
кровли, согласно Рисунку 1, LБ = 15 м; скорость пе-
ремещения забоя VЗ = 1.2 м/сут.
Тогда высота зоны расслоений, начиная от забоя,
согласно формуле (2), составит 220 м. Из Рисунка 3б
следует, что высота зоны расслоений разделяет массив
горных пород на две части – где скорость развития
деформаций меньшая (ниже зоны расслоений) и где
эта скорость большая (выше зоны расслоений).
Определим высоту зоны расслоений в подработан-
ном массиве горных пород, исходя из инструменталь-
ных наблюдений. Для этого на основании данных,
приведенных в Таблице 2, построен график изменения
скорости перемещения деформаций по глубине подра-
батываемого массива горных пород (Рис. 4).
Из графика следует, что скорость перемещения
деформаций в массиве в зависимости от глубины
расположения подрабатываемого массива разделяет-
ся на два участка. Первый, высотой 196.7 м, начиная
от зумпфа, носит волновой характер. Он соответству-
ет высоте зоны расслоений, определенной теоретиче-
ски (погрешность составляет 10.5%).
Скорость перемещения деформаций ниже зоны
расслоений носит волновой характер и в среднем
может быть определена по формуле:
НеV 005.0252.26 −= м/сут. (3)
Волновой характер обусловлен тем, что при пере-
ходе деформаций к очередному типу пород вначале
скорость снижается, а затем, по мере перемещения по
пласту этих пород, увеличивается.
Скорость перемещения деформаций выше зоны
расслоений носит практически прямолинейный ха-
рактер и может быть определена по выражению:
964.502729.0 +−= HV м/сут. (4)
Важность полученных данных заключается в том,
что зная высоту образования зоны расслоений, можно
предположить катастрофические последствия сдвиже-
ния, какова бы природа их происхождения не была.
2.4. Определение объема разрушенных горных
пород в динамической мульде сдвижения,
проявляющегося как горное давление
Динамическая мульда сдвижения – это подрабаты-
ваемый массив горных пород и земная поверхность,
которые при перемещении очистной выемки разделя-
ются на участки с одновременными, но различными
деформациями: растяжений и сжатий (Рис. 5).
Рисунок 5. Перемещение динамической мульды (дефор-
мационной волны) в массиве горных пород при
подвигании очистного забоя: А1В1С1Д1 – уча-
сток земной поверхности, ограниченный ди-
намической мульдой сдвижения; А2В2С2Д2 –
зона расслоений; А3В3С3Д3 – призабойное про-
странство, где происходит процесс сдвиже-
ния; А3В3С4Д4 – горизонтальная плоскость;
γП.С., γД, γВ, – углы сдвижения (угол полных
сдвижений, динамический угол, угол по вос-
станию пласта); L – длина лавы; М – посто-
янная минимальная величина расстояния от
точки под землей, где закончился процесс
сдвижения, до положения очистного забоя
при отходе от разрезной печи; К – расстоя-
ние от точки положения очистного забоя,
при котором при отходе от разрезной печи
процесс сдвижения начался
M. Chetveryk, O. Bubnova, K. Babiy. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(1), 57-64
62
В процессе подвигания очистного забоя переме-
щается и динамическая мульда сдвижения: вовлека-
ются в сдвижение новые участки массива горных
пород и земной поверхности, при этом зона растяже-
ний перемещается вслед за подвиганием забоя и че-
рез определенный период сменяется зоной сжатий.
Можно принять, что динамическая мульда – это де-
формационная волна, которая перемещается по под-
рабатываемому массиву.
Объем динамической мульды сдвижения не явля-
ется постоянным. Он зависит от многих величин:
глубины ведения горных работ, элементов залегания
пласта, системы разработки, параметров очистного
забоя и скорости его перемещения, параметров сдви-
жения, свойств пород, слагающих сдвигающуюся
толщу. Кроме того, зависит от вида и параметров
деформаций, прежде всего их скорости, газоводона-
сыщенности массива, его естественной и тектониче-
ской нарушенности.
Объем разрушенных пород, как горное давление,
определяем как объем усеченной пирамиды (Рис. 5):
,)(
3
1
Pвово HSSSSV ⋅++= м3. (5)
Скорость перемещения очистного забоя зависит
от производительности выемочного комплекса Q,
длины лавы L и мощности угольного пласта m. В
последние годы скорость подвигания лавы суще-
ственно увеличилась (Duncan & Paschedag, 2011), что
благоприятно отражается на состоянии горных выра-
боток, подтверждая изложенные положения.
Исходя из вышеизложенного, высота зоны рас-
слоений определяется так:
Q
LmVL
H бб
P
2
= , м. (6)
На основании формулы (6) построен график (Рис. 6).
12
10
8
6
4
2
0
0 50 100 150 200 250 300
Производительность выемочного комплекса, м /сут
3
О
бъ
ем
р
аз
ру
ш
ен
ны
х
по
ро
д
м
,
3
1
2
3
Рисунок 6. Зависимость объема разрушенных пород от
производительности выемочного комплекса:
1 – длина лавы 80 м; 2 – длина лавы 160 м;
3 – длина лавы 120 м
Из формулы (6) и графика следует, что чем боль-
ше производительность выемочного комплекса, тем
меньший объем разрушенных горных пород, который
проявляется как горное давление. При большой про-
изводительности комплекса по выемке угля длина
лавы не оказывает существенного влияния на вели-
чину объема разрушенных пород, проявляющих себя
как горное давление. В тоже время, чем меньше про-
изводительность комплекса и чем больше длина ла-
вы, тем больше объем разрушенных горных пород и
больше горное давление.
3. ВЫВОДЫ
Скорость перемещения деформаций в подрабо-
танном горном массиве в зависимости от глубины
расположения пластов имеет разный характер и раз-
деляет его на два участка. Первый, начиная от забоя
лавы и до зоны расслоений, носит волновой характер.
Он соответствует высоте зоны расслоений, что под-
тверждено инструментальными маркшейдерскими
наблюдениями. Волновой характер обусловлен тем,
что при переходе деформаций к очередному типу
пород вначале скорость развития деформаций снижа-
ется, а затем, по мере перемещения по этим породам,
увеличивается. Скорость перемещения деформаций
выше зоны расслоений носит практически прямоли-
нейный характер. Она значительно выше скоростей
деформаций, которые происходят до зоны расслоений.
Показано, что только та часть горных пород про-
являет себя как горное давление, которая в результа-
те сдвижения отделилась от массива, а подрабатыва-
емый массив потерял сплошность. Горное давление в
виде объема разрушенных пород подработанного
горного массива зависит от высоты зоны расслоений,
параметров сдвижения, параметров очистного забоя,
скорости развития деформаций растяжений в ненару-
шенном массиве. Регулирование (уменьшение) горно-
го давления возможно путем увеличения скорости
перемещения очистного забоя, что приведет к умень-
шению объема разрушенных горных пород. При
большой производительности комплекса по выемке
угля длина лавы не оказывает существенного влияния
на величину объема разрушенных пород, проявляю-
щих себя как горное давление. В тоже время, чем
меньше производительность комплекса и чем больше
длина лавы, тем больше объем разрушенных горных
пород и, соответственно, больше горное давление.
БЛАГОДАРНОСТЬ
Авторы выражают благодарность сотрудникам
Института геотехнической механики им. Н.С. Поля-
кова НАН Украины, Донецкого национального тех-
нического университета и УкрНИМИ НАН Украины
за экспериментальные исследования, использованные
в данной статье и поддержку.
REFERENCES
Bulat, A.F. (2004). Rock Deformation Problems. International
Applied Mechanics, 40(12), 1311-1322.
https://doi.org/10.1007/s10778-005-0039-y
M. Chetveryk, O. Bubnova, K. Babiy. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(1), 57-64
63
Chetverik, M.S., & Androshchuk, E.V. (2004). Teoriya sdvi-
zheniya massiva gornykh porod i upravleniya deforma-
tsionnymi protsessami pri podzemnoy vyemke uglya.
Dnipropetrovsk: RIA Dnepr-VAL.
Duncan, G., & Paschedag, U. (2011). Longwall and Top Coal
Caving – Modern Technology Applied at a New Mine in
Australia. Coal International, (66), 253-270.
Havrylenko, Yu.N., Papazov, N.M., & Morozova, T.V. (2000).
Dinamika osedaniy zemnoy poverkhnosti pri bolshoy glu-
bine razrabotki i vysokoy skorosti podviganiya zaboya.
Ground Control in Mining, (4), 108-119.
Ivanov, O.S. (2011). Zakonomirnosti zminy stiikosti pidhotov-
chykh vyrobok vuhilnykh shakht z urakhuvanniam
shvydkosti posuvannia vyboiu lavy. Ph.D. Natsionalnyi
Hirnychyi Universytet.
Kulibaba, S.B. (2004). Issledovaniya skorosti rasprostraneniya
protsessa sdvizheniya v podrabatyvaemom massive gornykh
porod. Visti Donetskoho Hirnychoho Instytutu, (1), 78-82.
Mark, C., Mucho, T.P., & Dolinar, D. (1998). Horizontal Stress
and Longwall Headgate Ground Control. Mining Engineer-
ing, (36), 61-68.
Shevchenko, V.G., & Zaitsev, M.S. (2014). Simulation of Safe
Working Conditions When Using the Device Obtaning
More Information about Mining Objects. Naukovyi Visnyk
Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (1), 105-113.
Weisdack, G.V., & Kvitkovich, J.F. (2005). Importance of
Longwall Mining to the Coal Industry. Mining Engineering,
(57), 21-26.
Yasin, S., Umetsu, K., Tatsuoka, F., Arthur, J., & Dunstan, T.
(1999). Plane Strain Strength and Deformation of Sands
Affected by Batch Variations and Different Apparatus
Types. Geotechnical Testing Journal, 22(1), 80-100.
https://doi.org/10.1520/GTJ11318J
ABSTRACT (IN RUSSIAN)
Цель. Обоснование на основе инструментальных маркшейдерских измерений скорости перемещения де-
формаций растяжений в горном массиве для их использования при управлении горным давлением и обеспече-
ния безопасности горных разработок.
Методика. В статье на основе статистической обработки инструментальных маркшейдерских наблюдений с
использованием теории послойно-блочного обрушения пород горного массива определены скорости развития
деформаций в различных типах пород.
Результаты. Обобщены инструментальные маркшейдерские наблюдения за сдвижением массива горных
пород и поверхности. На их основе определена скорость перемещения деформаций. Установлена взаимосвязь
между скоростью перемещения деформаций, скоростью перемещения очистного забоя, глубиной разработки,
высотой зоны расслоений. Исходя из параметров динамической мульды сдвижения, установлен объем разру-
шенных пород, который проявляет себя как горное давление.
Научная новизна. Впервые, на основе инструментальных наблюдений, определена скорость перемещения
деформаций растяжений в породах различной степени литификации. Определена высота зоны расслоений в
массиве подработанных горных пород на основе установленной взаимосвязи между скоростью перемещения
деформаций, скоростью перемещения очистного забоя, шагом обрушения основной кровли. Значение высоты
зоны расслоения предопределяет величину горного давления.
Практическая значимость. Полученные данные о скорости перемещения деформаций в подработанном
горном массиве позволяют управлять горным давлением, повышать эффективность горных разработок и их
безопасность.
Ключевые слова: подземные горные работы, скорость деформаций, динамическая мульда, маркшейдерские
наблюдения за сдвижением
ABSTRACT (IN UKRAINIAN)
Мета. Обґрунтування на основі інструментальних маркшейдерських вимірювань швидкості переміщення
деформацій розтягнень у гірському масиві для їх використання при управлінні гірським тиском і забезпечення
безпеки гірничих розробок.
Методика. В статті на основі статистичної обробки інструментальних маркшейдерських спостережень із
використанням теорії пошарово-блочного обвалення порід гірського масиву визначені швидкості розвитку
деформацій у різних типах порід.
Результати. Узагальнено інструментальні маркшейдерські спостереження за зрушенням масиву гірських
порід і поверхні. На їх основі визначено швидкість переміщення деформацій. Встановлено взаємозв’язок між
швидкістю переміщення деформацій, швидкістю переміщення очисного вибою, глибиною розробки, висотою
зони розшарувань. Виходячи з параметрів динамічної мульди зрушення, встановлений обсяг зруйнованих по-
рід, який проявляє себе як гірський тиск.
Наукова новизна. Вперше, на основі інструментальних спостережень, визначена швидкість переміщення
деформацій розтягнень у породах різного ступеню літіфікації. Визначено висоту зони розшарувань у масиві
підроблених гірських порід на основі встановленого взаємозв’язку між швидкістю переміщення деформацій,
швидкістю переміщення очисного забою, кроком обвалення основної покрівлі. Значення висоти зони розшару-
вання зумовлює величину гірського тиску.
Практична значимість. Отримані дані про швидкість переміщення деформацій в підробленому гірському
масиві дозволяють управляти гірським тиском, підвищувати ефективність гірничих розробок та їх безпеку.
Ключові слова: підземні гірничі роботи, швидкість деформацій, динамічна мульда, маркшейдерські
спостереження за зрушенням
M. Chetveryk, O. Bubnova, K. Babiy. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(1), 57-64
64
ARTICLE INFO
Received: 12 December 2016
Accepted: 10 February 2017
Available online: 30 March 2017
ABOUT AUTHORS
Mykhailo Chetveryk, Doctor of Technical Sciences, Head of the Department of Geomechanics of Mineral Opencast
Mining Technology, Institute of Geotechnical Mechanics named after M.S. Polyakov of the National Academy of
Sciences of Ukraine, 2a Simferopolska St, 49005, Dnipro, Ukraine. E-mail: chetverik.mihail@inbox.ru
Olena Bubnova, Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher of the Department of Geomechanics of
Mineral Opencast Mining Technology, Institute of Geotechnical Mechanics named after M.S. Polyakov of the
National Academy of Sciences of Ukraine, 2a Simferopolska St, 49005, Dnipro, Ukraine. E-mail:
bubnova@nas.gov.ua
Kateryna Babiy, Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher of the Department of Geomechanics of
Mineral Opencast Mining Technology, Institute of Geotechnical Mechanics named after M.S. Polyakov of the
National Academy of Sciences of Ukraine, 2a Simferopolska St, 49005, Dnipro, Ukraine. E-mail:
katebabiy@yandex.ua
|