«ПРОГНОЗ РАЗВИТИЯ ЗОНЫ ВОДОПРОВОДЯЩИХ ТРЕЩИН ПРИ РАЗРАБОТКЕ ЯКОВЛЕВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ БОГАТЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ РУД ...»

Гидрогеологические способы определения высоты зоны водопроводящих трещин включают в себя исследование результатов наблюдений за напорами в подрабатываемых слоях и за миграцией воды в выработки шахты, сравнение удельных водопоглощений в породах до и после их подработки, определение расхода воды в скважинах в подработанных массивах, обобщение результатов анализа динамики водопритока в отдельные участки шахты. Перечисленные способы позволяют с некоторой степенью достоверности судить о развитии зоны водопроводящих трещин, однако, их надежность может быть поставлена под сомнение по причине невозможности высокоточного прогнозирования параметров зоны.[34, 35] С технической точки зрения гидрогеологические наблюдения также бывают достаточно сложны. Известен метод измерения параметров водопритока, предполагающий использование стационарно закрепленных в скважинах пьезометров – приборов, осуществляющих постоянный контроль гидростатического давления на различных участках подработанной толщи.

Данный способ применяют и необходимости проведения непрерывных, достаточно длительных наблюдений за изменением высоты зоны водопроводящих трещин. Для определения положения точек установки пьезометров в подработанном массиве требуется предварительное грубое определение положения границы зоны водопроводящих трещин, обычно основанное на опыте подработки аналогичных месторождений, что также является недостатком метода. Минимум один пьезометр располагается в слое пород, заведомо попадающем в зону водопроводящих трещин, а верхний – в слое пород, который заведомо не попадает в указанную зону. Остальные пьезометры располагаются в промежуточных водоносных слоях. Частота установки пьезометров повышает точность определения высоты зоны водопроводящих трещин.

Установка пьезометров и первые циклы наблюдений производятся до начала отработки горизонта с целью получения сведений о естественных напорах в массиве. Достижение высоты зоны водопроводящих трещин некоторого слоя обуславливается резким увеличением его фильтрационных свойств и, как следствие, снижением напора воды. Поэтому высота зоны водопроводящих трещин определяется как расстояние от кровли участка ведения подземных работ до середины интервала между двумя соседними наблюдаемыми водоносными слоями, в нижнем из которых по данным пьезометрии наблюдалось резкое снижение напора, а в верхнем напор остался постоянным либо изменился в пределах естественных его колебаний за соответствующий период.

Развитием описанного выше метода является способ определения высоты зоны водопроводящих трещин методом бурения гидрогеологических тампонированных скважин. Для успешного определения необходимы минимум две скважины (одна пробуривается на удалении от участка работ с целью определения естественных напоров воды, другая(-ие) – на участке работ для проведения измерений). Сущность метода заключается в прямом измерении уровней воды в скважине на различной глубине, однако, при этом данные получаются для каждого слоя подработанной толщи, что повышает достоверность результата. С этой целью для каждой пробуренной скважины требуется изолирование ее участков, проходящих через различные слои [99, 102, 104, 105]. Осуществляется это путем установки тампонов на заданных глубинах. В процессе бурения скважины, начиная с расстояния по вертикали от кровли пласта (НТ + ), производят последовательные измерения напоров в предварительно изолированных интервалах скважины. Бурение и измерение напоров заканчивают на расстоянии по вертикали от кровли пласта (НТ - ).

Параметр – предельное (утроенное среднее квадратическое) отклонение фактических значений высоты ЗВТ от расчётных для соответствующих горногеологических условий, которое принято равным 10 м. Способ определения высоты зоны водопроводящих трещин аналогичен методу пьезометрии.

Помимо напоров и уровней воды имеется возможность получения величин удельные водопоглощения в опробуемых интервалах. Метод сравнения удельных водопоглощений сводится к проведению и анализу результатов опытных нагнетаний воды в одни и те же слои до и после их подработки. Данный метод применим лишь в тех случаях, когда разработка месторождения уже началась. Для получения необходимых величин удельных водопоглощений опробуются две скважины: одна над целиком, а другая – в подработанном массиве на участке наибольшего развития трещин расслоения.

При определении высоты ЗВТ удельные водопоглощения qп, полученные в результате нагнетаний в подработанной толще, сравнивают с величиной qц, полученной также из нагнетаний в интервалы скважины над целиком.

Опробуемый интервал нужно относить к зоне водопроводящих трещин только в том случае, если qпqц. Точность и достоверность данного метода крайне низка, по этому его рекомендуется использовать только как дублирующий одновременно с наблюдениями за изменениями напоров в процессе бурения специальных гидрогеологических скважин.

Применяется также метод расходометрического каротажа, основанный на измерениях водопоглощения на различной глубине. В пробуренную скважину опускается расходомер и осуществляется замер статического уровня воды, который фиксируется электромеханическим счетчиком снаряда расходомера при его контакте с поверхностью воды в скважине. Расходомер перемещается по скважине с остановками через каждые 1-5 м. При обнаружении участка со значительным изменением расхода производится снижение величины интервала наблюдений до нескольких сантиметров.

При подтверждении данных наблюдений первое резкое увеличение водопоглощения из скважины связано наличием гидравлической связи между скважиной и выработанным пространством. Следовательно, глубина, на которой было зафиксировано данное изменение, соответствует верхней границе зоны водопроводящих трещин.

При нарушении обводненного слоя сквозными нормально-секущими трещинами происходит резкое снижение его естественного порового давления [88, 95]. На данном факте основан метод наблюдений за изменением порового давления. Данный способ также требует предварительного грубого определения положения верхней границы зоны водопроводящих трещин.

Наблюдения осуществляют с помощью малоинерционных преимущественно струнных дистанционных манометров, которые могут быть применены в обводненных толщах с любой проницаемостью (в том числе в глинах). Датчики располагаются в скважине в интервале возможного положения верхней границы зоны водопроводящих трещин. Расстояния между датчиками задаются, исходя из требуемой точности определения положения этой границы;

при этом самый нижний датчик должен быть расположен заведомо в пределах зоны водопроводящих трещин, а самый верхний – выше ее верхней границы, как и в случае с пьезометрическими наблюдениями. Одним из важнейших условий правильной установки датчиков порового давления является обеспечение их хорошего гидравлического контакта с породой по стенке скважины и тщательная изоляция их от смежных участков.

Опытная скважина должна быть пробурена и оборудована датчиками порового давления за 4-5 месяцев до начала очистных работ на участке за пределами зоны, в которой происходит расслоение подработанного массива. Те датчики, в которых поровое давление будет снижено практически до нуля, находятся в зоне водопроводящих трещин. В датчиках, расположенных выше зоны водопроводящих трещин, поровое давление будет отлично от нуля.

водопроводящих трещин.

Несмотря на технические различия описанных методов, в основе их всех лежит натурное определение гидрогеологических параметров, косвенно связанных с высотой зоны водопроводящих трещин. Фактически, основными параметрами являются снижение давления в слое и увеличение его водопроницаемости, измеряемые по различным технологиям на различных интервалах. Недостатками данных методов является серьезное увеличение временных и производственных затрат при необходимости снижения величин интервалов для повышения точности и неоднозначность зависимости высоты зоны водопроводящих трещин от приведенных параметров слоя.

Существует несколько прямых способов определения высоты зоны водопроводящих трещин, требующих бурения наблюдательных скважин [89, 100, 101, 103]. В данном случае восстающие скважины бурятся из опережающих выработок и в них закрепляют реперы с проволочной связью с выработанным пространством в районах пересечения скважиной характерных слоев [26]. Данный способ назван методом глубинных реперов с проволочной связью и принят в качестве основного при изучении деформируемой толщи.

Высоту зоны водопроводящих трещин определяют путем сравнения величин смещения реперов с показателем предельных горизонтальных деформаций на верхней границе зоны водопроводящих трещин для данного объекта [100, 101]. Необходимость определения данной величины с высокой точностью и высокие затраты на обеспечение проведения наблюдений являются серьезными недостатками данного метода.

периодичностью, зависящей от стадий сдвижения горных [103]. Контроль измерений рекомендуется осуществлять путем изменения величины натяжения проволоки посредством подвешивания грузов различной массы.

Суть контроля заключается в том, что все наблюдения проводятся при двух уровнях натяжения проволоки, для чего к ее концам подвешивают поочередно два различных груза.

Наиболее существенным фактором, снижающим эффективность всех предлагаемых методов, является фактическое отсутствие возможности прогнозирования [46, 47]. Предложенные способы позволяют оценить высоту уже формирующейся зоны водопроводящих трещин [21, 23].

1.3 Метод прогнозирования высоты зоны водопроводящих трещин Исходя из того, что положение верхней границы зоны водопроводящих трещин связано с кривизной слоя, на основе статистических наблюдений была получена зависимость:

где НТ – высота ЗВТ; m – вынимаемая мощность пласта; KГ – граничная кривизна [23, 37]. На основе статистической обработки натурных данных с месторождений пластового типа была обнаружена функциональная зависимость экспоненциального типа от содержания пород глинистого состава (алевролитов, аргиллитов, глинистых сланцев и др.) в подрабатываемой толще:

где A - содержание пород глинистого состава (алевролитов, аргиллитов, глинистых сланцев и др.) в подрабатываемой толще, определяемое как отношение суммарной мощности пород глинистого состава к мощности подрабатываемой толщи [23]. Величина содержания пород глинистого состава определяется по формуле:

где a1, a2,…, ak - значения вертикальных мощностей слоев соответствующих пород, Н – глубина залегания разрабатываемого пласта.

Вид экспоненциальной зависимости был получен на основе анализа натурных данных, частично приведенных в таблице [15, 16, 17, 18, 19, 20]:

Таблица 1.1 - Случаи натурного определения высоты зоны водопроводящих трещин Продолжение таблицы 1. В таблице 1.1 Н,, m – соответственно глубина, угол падения и мощность разрабатываемого пласта; А – содержание алевролитов, аргиллитов и глинистых сланцев в долях от мощности коренных пород; НТн – высота зоны водопроводящих трещин по натурным определениям; Кгф – значение фактической граничной кривизны. В общем виде зависимость граничной кривизны от литологического состава подрабатываемой толщи представлена выражением:

где Кг – граничная кривизна; А – содержание алевролитов, аргиллитов в долях от подрабатываемой толщи; е – основание натуральных логарифмов; а и в – параметры уравнения связи, получаемые методами математической статистики [23].

Итоговое аналитическое выражение зависимости граничной кривизны (максимальной кривизны слоя на верхней границе ЗВТ) от содержания пород глинистого состава получено на основе натурных наблюдений высоты ЗВТ и имеет вид:

С применением данной методики производятся основные прогнозные расчеты преимуществом расчетного метода является возможность его применения при прогнозировании параметров зоны на основе имеющихся геологических данных. Величина кривизны в данном способе определяется исходя из ее взаимосвязи с литологическим строением подработанного массива. Недостаток данного метода очевиден: содержание глинистых пород в долях от подработанной толщи является определяющим, но не единственным фактором, влияющим на величину деформаций кривизны [23, 37]. Сравнение фактической высоты ЗВТ, полученной по натурным данным, с результатами, полученными по формуле (1.3), показало, что отдельные отклонения составляют более 30 м.

свидетельствует о том, что учет при расчетах только содержания глинистых слоев в подрабатываемой толще не всегда гарантирует достаточную точность и достоверность определения высоты ЗВТ и, соответственно, надёжность прогноза безопасной выемки полезного ископаемого под водными объектами.

Помимо недостаточности учитываемых факторов прогнозирования, месторождения с относительно простой морфологией. В случаях, когда месторождение имеет сложную структуру подрабатываемой толщи и большую глубину залегания, данная методика не дает положительного результата.

1.4 Оценка параметров зоны водопроводящих трещин при разработке Расчеты высоты зоны водопроводящих трещин в основном проводились для угольных месторождений в связи с их широким распространением и значительными площадями выемки [55, 57, 86, 90] Подработка водных объектов при разработке месторождений других типов встречается реже, вследствие чего, на сегодняшний день, статистика натурных наблюдений по железорудные месторождения залегают в условиях наличия напорных водоносных горизонтов [92, 93]. Нарушение состояния подобного горизонта может привести к потере месторождения и образованию серьезных нарушений на поверхности [94].

В качестве примера подобного месторождения будет рассмотрен Яковлевский рудник [77, 78].

Добыча богатой железной руды (БЖР) на Яковлевском месторождении ведется системой горизонтальных слоев в нисходящем порядке с полной закладкой выработанного пространства твердеющими смесями [59, 60, 79].

Подрабатываемая толща месторождения включает пять водоносных горизонтов, защита которых от влияния подземных работ является первостепенной задачей служб мониторинга [59, 60, 61, 62, 63]. Основными горными мерами охраны подработанной толщи являются упомянутая выше закладка выработанного пространства и оставление предохранительной потолочины мощностью 65 м.

Добыча руды на Яковлевском руднике начата в 2007 г. с отработки горизонта на отметке -370 м с буровзрывной и механической (комбайновой) отбойкой руды [59, 60]. Проходка очистных заходок горизонта в неустойчивых и весьма неустойчивых мартитовых и гидрогематитовых рудах ведется с креплением рамной металлической крепью практически без отставания крепи от забоя [65, 85]. Затяжка кровли и бортов очистных заходок между рамами крепи осуществляется лесом и стальной сеткой. В отработанных очистных заходках перед их закладкой устанавливается комбинированная (горизонтальная и вертикальная) армировка [83]. Закладка очистных заходок горизонта осуществляется твердеющей смесью с нормативной прочностью Мпа [79]. Средняя отметка земной поверхности равна +225 м. 0 слой расположен на отметке -370 м. Т.е. верхняя граница отработки БЖР имеет глубину залегания Н = 595 м. Темпы добычи по мере развития горных работ увеличивались с 1530 тыс.т/мес. до 80110 тыс.т/мес. Очистными работами охвачено все шахтное поле рудника в границах 1 очереди строительства. Длина выработанного пространства по простиранию залежи БЖР равна 714 м.

Ширина выработанного пространства вкрест простирания залежи по линиям ортов составляет в среднем 340 м.

На примере данного месторождения будет осуществлена адаптация взятого за основу метода оценки высоты зоны водопроводящих трещин для месторождений железных руд со сложной структурой подрабатываемой толщи [42].

ГЛАВА 2 РАССЧЕТ ВЕЛИЧИН ПРОГНОЗНЫХ УГЛОВ СДВИЖЕНИЯ В

УСЛОВИЯХ ЯКОВЛЕВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ С УЧЕТОМ

НЕОДНОРОДНОСТИ ПОДРАБАТЫВАЕМОЙ ТОЛЩИ

В металлогеническом отношении месторождение расположено в северной части Белгородского железорудного района КМА. В его геологическом строении принимают участие два резко различных комплекса пород, образующих два структурных этажа:

- нижний - сложнодислоцированный докембрийский кристаллический фундамент;

- верхний, сложенный осадочными породами фанерозоя.

Породы кристаллического фундамента Яковлевского месторождения, с которыми связаны богатые железные руды, залегают под покровом осадочной толщи на глубине 470-550 м.

2.1.1 Геологическая характеристика осадочной толщи На докембрийском кристаллическом фундаменте залегает мощная (до м) толща осадочных пород, имеющая повсеместное распространение. Для неё характерно спокойное горизонтальное залегание, с общим наклоном 3 - 5.

Осадочная толща представлена отложениями каменноугольного (карбонового), юрского, палеогенового и четвертичного периодов.

В приконтактной зоне докембрийских и осадочных пород почти повсеместно встречаются пачка переотложенных железных руд, литологически представленная рудными конгломерато-брекчиями, брекчиями и гравелитами.

Над пачкой этих переотложенных руд переотложенные породы представлены нерудными конгломерат-брекчиями, брекчиями, галечниками, гравелитами, переотложенными бокситами и бокситоподобными породами. Залежи бокситов носят характер неправильных линзовидных или пластообразных форм. Они вытягиваются вдоль простирания полос железистых кварцитов шириной от м до 200 м, протяжённостью до нескольких километров [59]. Мощность переотложенных пород колеблется от 0 м до 60 м (на рисунке 2.1 – относительный водоупор).

Нижнекаменноугольные отложения (C1) непосредственно залегают на головах богатых железных руд, кварцитов и переотложенных бокситов.

Нижнекаменноугольные отложения представлены породами визейского яруса, в основном, михайловским и веневским горизонтами (окский надгоризонт C1ok) и тарусским горизонтом (серпуховский надгоризонт - C1cr).

Отложения окского надгоризонта (C1ok) распространены повсеместно и литологически представлены частой перемежаемостью карбонатных и песчаноглинистых пород, особенно в его верхней и нижней частях. Мощность пачек глин, песков и песчаников достигают 3 – 5 м. Известняки средней части разреза окского надгоризонта (михайловский горизонт) отличаются большой крепостью и плотностью. Их мощность достигает 18 м. Прослои карбонатных пород других горизонтов преимущественно органогенно-обломочные, зачастую глинистые. Средняя мощность окских отложений составляет 50 м [59, 60, 61].

+200м +100м -100м -200м -300м -370м -400м -500м -600м - глины келловейского яруса; - глины, известняки, алевролиты, песчаники;

- плотные переотложенные руды и карбонатизированные бокситовые образования;

-магнетит-железнослюдковые кварциты;

Рисунок 2.1 - Схема к расчету степени подработанности:

abem – контур отработки между горизонт -370 м и горизонт м; acdm – контур полной отработки; S1, S2, S3, S4 – контуры Отложения серпуховского надгоризонта (C1cr) распространены неповсеместно. Залегают на сильно выветрелых известняках или мощной пачке глин веневского горизонта. Отложения представлены сильно кремнистыми, кавернозными, закарстованными известняками тарусского горизонта. Внизу пачки встречаются доломитизированные известняки или доломиты. Глинистые прослои здесь редки. При бурении этого горизонта всегда наблюдается большое поглощение промывочной жидкости.Мощность серпуховского надгоризонта колеблется от 0 м до 40 м.

На сильно размытой поверхности палеозойских отложений повсеместно распространена толща юрских осадков среднего и верхнего отделов мощностью в среднем 150 м. Юрские отложения сложены байосским, батским, келловейским, оксфордским, киммериджским и нижневолжским ярусами.

Литологически породы представлены плотными, тонкослоистыми глинами, известковистыми кварцевыми песчаниками (рисунок 2.1). В породах встречаются остатки фауны, микрофауны, растительные остатки, споро-пыльца [94, 62].

Меловые отложения (Cr) составляют мощную толщу (250-300 м) осадочных пород, которые имеют повсеместное распространение и выходы на дневную поверхность в районах балок и оврагов. По своей литологической характеристике породы делятся на две разновидности: 1 – песчано-глинистую пачку пород (40 м); 2 – мергельно-меловую пачку пород (230 м). Отложения нижнего отдела – неокомский, аптский, альбский ярусы и сеноманский ярус верхнего отдела представляют песчано-глинистую пачку. Преобладают в этой пачке пески, а глины носят подчинённый характер. В кровле сеноманских песков прослеживается горизонт фосфоритовых галек, на котором залегают мела туронского и выше – коньякского ярусов. Мела белые, писчие, крепкие, мощностью до 40 м, постепенно переходят в мергеля сантона и кампана. На мергелях залегают мела кампана и маастрихта. Вся мергельно-меловая толща обогащена фауной.

Палеогеновые отложения покрывают почти всю площадь месторождения, имея выходы на дневную поверхность в долинах рек, оврагов и балок. Осадки очень изменчивы фациально и представлены песчано-алеврито-глинистыми породами и, частично, карбонатными глинами. Мощность толщи достигает 40 – 50 м.

Четвертичные отложения пользуются повсеместным распространением.

Они представлены снизу вверх темно-бурыми тяжёлыми суглинками;

суглинками красно-бурыми, известковистыми, плотными, тяжёлыми;

суглинками бурых тонов, лёгкими, лёссовидными. Менее распространены аллювиальные песчано-глинистые образования в долинах р. Ворскла, а также в балках и оврагах. В заболоченных участках отмечаются сильно заиленные торфянистые образования. Мощность четвертичных отложений колеблется от 0 м до 25 м [94, 60].

2.1.2 Геологическая характеристика пород кристаллического фундамента По данным разведочных работ на площади Яковлевского месторождения породы кристаллического фундамента, с которыми связаны богатые железные руды, залегают под покровом осадочной толщи на глубине 470 – 550 м.

Древняя погребённая поверхность кристаллического фундамента на площади месторождения представляет всхолмленную равнину, слегка наклонённую в юго-западном направлении. В структурном отношении месторождение представляет собой синклинальную складку, получившую название Яковлевской синклинали. К крыльям этой синклинали приурочены полосы железистых кварцитов. Общая протяжённость синклинали превышает 70 км, а ширина её в пределах детально разведанного участка составляет по выходам железистых кварцитов от 1200 м до 1600 м. Общее простирание основной структуры месторождения северо-западное - 320°. Падение пород в крыльях синклинали северо-восточное, моноклинальное. Угол падения пород в пределах рудного поля колеблется от 60° до 70°.

На месторождении широко распространены разрывные нарушения. Это устанавливается по многочисленным зонам дробления и интенсивной трещиноватости пород, а также по наличию тектонических брекчий. Кроме этого, наблюдаются межпластовые подвижки на границе железорудной и надрудной свит, проявляющиеся наличием зеркал скольжения, дроблением и брекчиванием пород.

Главенствующая роль в составе железорудной свиты месторождения принадлежит железистым кварцитам, а подчинённое значение в ней занимают сланцы. К зоне выветривания железистых кварцитов приурочены богатые железные руды, залегающие плащеобразно «на головах» крутопадающей толщи железистых кварцитов (рисунок 2.1) [40].

2.1.3 Гидрогеологическая характеристика месторождения Гидрогеологические условия месторождения характеризуются как сложные в связи с наличием в разрезе пяти водоносных горизонтов.

Водоносные горизонты разделены на два гидравлически изолированные комплекса: надкелловейский и подкелловейский [40, 92, 93]. Разделены келловейским водоупором, представленным глинами мощностью до 43 м (рисунок 2.1).

нижнекаменноугольным водоносным горизонтом осадочной толщи и руднокристаллическим водоносным горизонтом рудовмещающей толщи.

Гидрогеологическими исследованиями установлено, что основное участие в обводнении горных выработок принимают гидравлически взаимосвязанные каменноугольный (карбоновый) и руднокристаллический водоносные горизонты.

повсеместно и приурочен к толще известняков с прослоями сланцеватых и углистых глин в нижней части разреза. Мощность водоносного горизонта 20- м. Коэффициент фильтрации изменяется в широком диапазоне от 0.01 до 12. м/сут. Водообильность известняков находится в прямой зависимости от степени трещиноватости и закарстованности. Наиболее проницаемы известняки верхней части толщи, распространенные над железорудной полосой и в северовосточной зоне висячего бока месторождения. В условиях естественного режима напоры подземных вод над кровлей известняков достигали 381-479 м.

Руднокристаллический водоносный горизонт приурочен к выветрелым и трещиноватым зонам кристаллического фундамента архей-протерозойского возраста, представленнымb богатыми железными рудами, железистыми кварцитами, кристаллическими сланцами и плагиогранитами. Водоносность пород определяется пористостью, региональной трещиноватостью древней коры выветривания и редкими тектоническими трещинами открытого типа.

Наиболее проницаемыми являются рыхлые разности богатых железных руд, коэффициент фильтрации которых изменяется от 0.04 до 0.28 м/сут. Наименее фильтрации не более 0.01 м/сут. Водоносный горизонт напорный. Напор над кровлей водоносного горизонта в естественных условиях достигал 405-510 м. В пределах существующего шахтного поля водоносный горизонт осушен до нижней границы ведения горных работ.

Оба горизонта гидравлически связаны между собой, однако наличие карбонатизированных бокситовых образований в кровле руднокристаллической толщи мощностью до 60 м, затрудняют взаимосвязь указанных горизонтов.

подтвердили, что подпиткой с каменноугольного горизонта можно пренебречь.

В этой связи важное значение приобретает предупреждение деформаций разделительной водоупорной толщи вследствие ведения очистных работ (относительный водоупор на рисунке 2.1).

2.1.4 Обобщённая геологическая и гидрогеологическая модель На основе анализа геологического материала, изложенного в разделах 2.1.1, 2.1.2 и 2.1.3 составлен обобщенный геологический разрез, на котором выделены два комплекса пород (рисунок 2.2):

- 1-й комплекс: породы кристаллического фундамента, названный как «рудовмещающая толща»

«перекрывающая толща».

К рудовмещающим породам 1-го комплекса в зоне выветривания приурочено месторождение богатых железных руд, которое на разрезе показано в виде незакрашенной зоны около контура отработки abem (рисунок 2.2).

Месторождение сложено слабыми, неустойчивыми породами с крепостью f 1 более мощные пласты сконцентрированы на малом удалении от разрабатываемого пласта. Имея высокую устойчивость и склонность к зависанию, они подвергаются меньшим деформациям изгиба, при этом вероятность образования в них сквозных нормально секущих трещин значительно ниже. Соответственно, при расположении, близком к разрабатываемому пласту, мощные слои способны оказать существенное влияние на параметры ЗВТ, в большинстве случаев уменьшая высоту ее распространения.

При с 1 слои, слагающие подрабатываемую толщу, имеют приблизительно геометрического центра толщи, как показано на схеме (рис. 3.20).

Рисунок 3.20 Примеры распределения мощности при с=1:

При этом влияние распределения слоев по мощности на развитие зоны водопроводящих трещин несущественно. Однако, в реальных условиях, данная ситуация встречается крайне редко.

Таким образом, граничную кривизну с учётом содержания пород глинистого состава и их местоположения в толще над рассматриваемым пластом KГс получают из выражения:

где KГ – граничная кривизна, полученная по формуле (3.8); с – относительный центр распределения пород по их мощности в подрабатываемой толще, определяемый по формуле (3.9). При этом искомая величина высоты зоны водопроводящих трещин с учётом литологического состава пород (содержания глинистых пород) и распределения их по мощности в подрабатываемой толще определяется путем подстановки в формулу высоты зоны водопроводящих трещин величины KГс,, полученного из выражения (3.12). Конечная формула будет иметь вид Сравнительный анализ высоты ЗВТ, получаемой по формуле (3.13), с данными натурных определений высоты ЗВТ на горных объектах [106], показал достаточно высокую степень достоверности прогнозных величин высоты зоны водопроводящих трещин для месторождений со слоистой структурой подработанного массива за счёт учёта содержания пород глинистого состава в комплексе с распределением по мощности слоёв в подрабатываемой толще. В связи с аналогичными свойствами массива, изложенная прогнозная методика расчета высоты зоны водопроводящих трещин применима и для условий Яковлевского месторождения.

Осадочная толща (раздел 2.1.4) рассматриваемого рудника имеет большую мощность и представлена значительным количеством слоев. С точки зрения распределения по мощностям ее строение близко к примерам, отображенным на рисунке (3.20). Вследствие этого, подрабатываемую осадочную толщу при определении ее центра распределения мощности можно считать одним слоем относительный водоупор (раздел 2.1.4). И третий слой – это предохранительный целик рудовмещающей толщи, оставленный для защиты относительного водоупора. Таким образом, для оценки распределения слоев по мощности к расчету принято три слоя.

Фактическая величина расстояния от горизонта -370 м до положения центра распределения мощностей этих слоёв равна центр распределения для случая, если толща будет состоять из слоёв одинаковой мощности отсюда относительный центр распределения c для рассматриваемых условий Яковлевского месторождения составит Относительный центр распределения мощностей слоёв породы получился меньше 1 (с < 1), то есть наиболее мощные слои сконцентрированы во второй половине подрабатываемой толщи относительно очистных работ. Это означает, что они (наиболее мощные слои) окажут влияние в сторону увеличения высоты зоны водопроводящих трещин в предохранительном целике, оставленном для защиты относительного водоупора.

ГЛАВА 4 РАСЧЕТ ВЫСОТЫ ЗОНЫ ВОДОПРОВОДЯЩИХ ТРЕЩИН С

УЧЕТОМ СВОЙСТВ ПОДРАБОТАННОГО МАССИВА И ОБОСНОВАНИЕ

ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗРАБОТАННОЙ МЕТОДИКИ

Достижение параметром некоторой величины вследствие деформации подработанного массива вызывает возникновение сквозных нормально секущих трещин слоев.

4.1 Переход от граничной кривизны к граничной горизонтальной На современном этапе развития науки все большую роль играет применение программных комплексов для прогноза деформаций подработанного массива и земной поверхности. В прошлом многие зависимости параметров процесса сдвижений могли быть установлены лишь путем проведения трудоемких натурных наблюдений и создания физических моделей. Последние в настоящее время заменяются моделями, созданными с применением компьютерных технологий конечно-элемнтного моделирования [44, 64, 80, 84]. Данный способ прогноза при правильности заложенного в программу алгоритма вычислений позволяет учесть множество факторов и с достаточно высокой степенью достоверности осуществить расчет предполагаемого поведения массива при его подработке. При этом, непосредственно получение распределения кривизны с целью определения положения слоя с ее граничным значением с применением программных комплексов практически невозможно либо крайне затруднено, что является серьезным недостатком кривизны, как граничного параметра при определении высоты и формы зоны водопроводящих трещи. Получение распределения деформаций кривизны путем анализа натурных данных также зачастую имеет недостаточную достоверность при значительных размерах подработанного массива. Применяемая на Яковлевском месторождении система мониторинга позволяет однозначно определить лишь деформации непосредственно над выработанным пространством. Кривизна при этом определяется как производная от вычисленных наклонов. В данной работе рассмотрена модель распределения деформаций кривизны для массива на основе анализа данных о сдвижениях на глубине и на земной поверхности, однако в целях увеличения достоверности предлагаемой методики предлагается установить дополнительный граничный параметр для оценки зоны водопроводящих трещин.

При натурных исследованиях подработанного массива возможно достаточно точное прогнозирование распределения горизонтальных деформаций подработанного массива. Кроме того, все широко применяемые в настоящее время программные комплексы позволяют наглядно и точно отобразить распределение деформаций по любым осям. Исходя из этого, применение горизонтальной деформации как граничного параметра при определении формы и размеров зоны водопроводящих трещин. Получение величины граничной горизонтальной деформации для рассматриваемого месторождения позволит применить данный критерий как дополнительный фактор прогноза, а также фиксировать форму кривой граничной деформации при использовании комплексов конечно элементного моделирования. Взаимосвязь между кривизной и горизонтальными деформациями основана на качественном сходстве распределения кривизны и горизонтальных деформаций: кривизне выпуклости соответствуют горизонтальные деформации растяжения, кривизне вогнутости – горизонтальные деформации сжатия [17, 66]. Данное предположение может быть записано как прямая зависимость между величинами граничной кривизны и граничной горизонтальной деформацией, которая в дальнейшем будет обозначена Г. Сама предполагаемая зависимость может быть записана как где p - переходный коэффициент, отражающий взаимосвязь граничной кривизны и граничной горизонтальной деформации. В первую очередь из заявленного предположения необходимо определить, является ли данный коэффициент некой постоянной величиной, или же его значение является функцией параметров участка работ. Вывести его можно из выражения (4.1):

В Правилах охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок [74] рассмотрены расчетные способы определения величины горизонтальных деформаций поверхности, основанные на данных о поверхностной мульде сдвижения. Фактически, результатом расчетов являются параметры процесса сдвижения на расстоянии по вертикали от кровли выработанного пространства, равного глубине ведения подземных работ.

Аналогичным способом можно определить параметры сдвижения для слоев, расположенных на другом удалении от разработки. В данном случае, необходимо водопроводящих трещин:

m максимальное оседание; L3 – длина полумульды в искомом слое на верхней границе зоны водопроводящих трещин, горизонтальные деформации и кривизна которого являются граничными; S''(zx) – функция типовой кривой кривизны и горизонтальных деформаций. Аналогичным способом в указанном выше источнике предлагается рассчитывать кривизну поверхности при формировании мульды сдвижения. Данный метод также применим для глубинных слоев при введении в расчет граничных параметров слоя:

Входящее в формулы (4.3) и (4.4) максимальное оседание m в общем виде определяется из выражения где q0 – относительное максимальное оседание; m – вынимаемая или эффективная подработанности, соответственно, вкрест и по простиранию извлекаемого слоя;

– угол падения слоя. Длина полумульды поверхности L3 (при N2 = 1) изначально рассчитывается на основе глубины ведения подземных работ, однако, исходя из данных условий можно вывести ее выражение и для слоя с граничной кривизной путем использования высоты зоны водопроводящих трещин вместо глубины разработки:

где HТ – высота зоны водопроводящих трещин (ЗВТ) или расстояние по вертикали от кровли выработанного пространства до слоя с граничной кривизной и горизонтальной деформацией; 0, 3 – соответственно граничный угол и угол полных сдвижений в главном сечении мульды сдвижения слоя, приуроченного к верхней границе зоны водопроводящих трещин по простиранию.

При подстановке упомянутых выражений в формулу (4.2) выражение для определения переходного коэффициента примет следующий вид:

Принимая во внимание то, что расчеты параметров процесса сдвижения проводились в первую очередь для угольных месторождений со слоистой структурой подрабатываемой толщи, возможно упростить полученной выражение путем осреднения некоторых используемых в нем величин, сохраняя возможность применения метода для Яковлевского месторождения богатых железных руд, ввиду частичного сходства его строения с угольными месторождениями. Среднее значение относительного горизонтального сдвижения по основным угольным бассейнам составляет a0 = 0.3, а среднее значение (ctg0 + ctg3) = 1.24. Подставив в формулу принятые значения и учитывая, что H Т 2, получим деформации (4.1) можно записать как В формуле (4.9) значение граничной кривизны KГ определяется по известной формуле [74]:

где А – содержание пород глинистого состава в долях от подрабатываемой толщи.

При подстановке (4.10) в (4.9) получим следующее выражение для граничной горизонтальной деформации Г:

Рисунок 4.1 - Зависимость граничной горизонтальной деформации кривизны Г от содержания в толще глинистых пород в долях от m – вынимаемая мощность пласта или мощность недозакладки.

На основании данной формулы можно сделать вывод о том, что граничная горизонтальная деформация слоя, приуроченного к верхней границе зоны водопроводящих трещин, имеет экспоненциальную зависимость от содержания глинистых пород в подрабатываемой толще. Граничная кривизна слоя, определяемая по известной формуле (4.11), имеет аналогичный характер зависимости от той же величины, что может свидетельствовать о наличии между ними связи и, соответственно, о верности предположения (4.1). Зависимость граничной горизонтальной деформации (Г) от содержания глинистых пород (А) для различных величин недозакладки (вынимаемой мощности) показана на графике (рисунок 4.1).

Далее можно произвести вывод формулы высоты зоны водопроводящих трещин с использованием граничной горизонтальной деформации. На основании формул (4.3), (4.5) и (4.6) можно записать, что Если принять, условие полной подработки, другими словами, наиболее неблагоприятный вариант, при котором получают максимальное развитие сдвижения и деформации, то в формуле (4.12) N1 = N2 = 1. Среднее значение относительного горизонтального сдвижения в основных угольных бассейнах составляет a0 = 0.3, а относительное максимальное оседание q0 = 0.7. Для углов падения от 0° до 45° можно принять cos 1. Среднее максимальное значение функции типовой кривой S''(zx) = 8.46, среднее значение (ctg0 + ctg3) = 1.24.

Подставив в формулу (4.12) принятые значения получим отсюда высота зоны водопроводящих трещин определится из выражения После подстановки в (4.14) вместо граничной горизонтальной деформации Г её выражение (4.11), формула для определения высоты зоны водопроводящих трещин (НТ) примет следующий вид Выражение (4.15) в общем виде выражает зависимость высоты зоны водопроводящих трещин от мощности выемки и содержания пород глинистого состава. Данная формула дает дополнительную возможность приближенно Предлагаемый метод возможно применить и с более высокой точностью прогноза, подставляя в выражение (4.12) значения для рассматриваемого Яковлевского месторождения установлено, что в пределах руднокристаллической толщи, в которой крепость пород f = 0,1 и меньше, сумма котангенсов угловых параметров процесса сдвижения для пород такой крепости составляет (ctg0 + ctg3) = 2,052. Тогда формула (4.12), определяющая значение граничной горизонтальной деформации, будет иметь следующий вид:

где m' – мощность недозакладки выработанного пространства (эффективная мощность).

Значение граничной горизонтальной деформации Г, определяемое по формуле (4.11) для условий угольных месторождений, для условий Яковлевского рудника будет рассчитываться по формуле:

Граничная кривизна для этих же условий но с учётом распределения пород по их мощности в подрабатываемой толще составит где с = 0.86 – относительный центр распределения мощностей слоёв для условий Яковлевского рудника (раздел 3.4).

Высота зоны водопроводящих трещин из выражения (4.16) и с учётом (4.18), для горно-геологических условий Яковлевского месторождения, составит Отработка богатых железных руд Яковлевского месторождения ведётся слоями с закладкой выработанного пространства бетонными смесями. Известные величины недозакладки в большинстве случаев колеблются в интервале 0.2 0.8 м. Содержание глинистых пород в долях от мощности подрабатываемой руднокристаллической толщи по геологическим данным Яковлевского рудника составляет А 0.4. По полученной формуле (4.19) в таблице 4.1 приведены расчёты высоты зоны водопроводящих трещин (ЗВТ) для величин недозакладки в диапазоне 0.1 1.0 м. В этой же таблице приведена степень нарушенности предохранительного целика техногенными водопроводящими трещинами в Предохранительный целик равен мощности рудной толщи 65 м, оставляемой между верхней границей очистных работ и почвой относительного водоупора для его защиты от образования водопроводящих трещин.

Таблица 4.1 Высота ЗВТ в зависимости от величины недозакладки выработанного пространства Продолжение таблицы 4. 4.2 Определение верхней границы зоны водопроводящих трещин по данным наблюдений за сдвижением глубинных реперов За счёт недозакладки над кровлей очистных выработок происходит сдвижение и деформации горных пород, которое фиксируется глубинными реперами на расстоянии по вертикали от кровли выработок H = 9 м.

наблюдениям за оседаниями этих реперов по формулам (3.1) – (3.3) по состоянию на апрель 2009 г. была получена кривизна для репера R6, равная K = 0.005 · 10- 1/м. В сентябре 2012 г. кривизна на этом же репере уже составила K' = 0.026 · 10- 1/м, а на репере R7 K = 0.26 · 10-3 1/м, что является самой максимальной величиной при обработке всех имеющихся данных по различным линиям реперов.

Содержания глинистых пород в долях от подрабатываемой толщи, как указывалось выше, принято А = 0,4. Относительный центр распределения по мощности пород подработанной толщи с = 0,86 (раздел 3.4). Тогда граничная кривизна (KГ), то есть максимальное значение кривизны на верхней границе зоны водопроводящих трещин (ЗВТ), с учётом литологического состава толщи и относительного распределения пород по мощности определится из выражения :

Граничная кривизна по (4.21) получена из обобщения результатов натурных определений высоты зоны водопроводящих трещин в комплексе с определением кривизны в зоне и на её верхней границе. Значения кривизны в этом случае были получены на интервале 10 20 м, то есть в среднем на интервале 15 м (l15м).

Полученное из натурных наблюдений значение максимальной кривизны R7R6 = 46 м, откуда среднее значение интервала 63.5 м). Для сопоставления KГс и K необходимо значения этих деформаций привести к единому интервалу получения кривизны, в данном случае целесообразно привести кривизну K к интервалу l15м = 15 м. Воспользуемся для этого формулой перехода с деформаций одного интервала на деформации другого интервала [76]:

где Ki - кривизна, полученная на интервале измерения li; Kj - кривизна, полученная на интервале измерения lj. В нашем случае приведём K к интервалу измерения l15м = 15 м. В натурных условиях кривизна K получена на интервале lj = 63.5 м, тогда значение этой кривизны, но для интервала измерения li = 15 м (K15м) составит:

Используя закономерность (3.7), получим расстояние по вертикали от кровли закладочных выработок до слоя с граничной кривизной, то есть высоту ЗВТ, следующим образом:

отсюда где HТ – высота ЗВТ над очистными закладочными выработками гор. – 370 м; H – расстояние по вертикали от кровли выработки до глубинных реперов, по которым определяется кривизна; K15м – кривизна на репере R7, приведённая по формуле (4.21) к интервалу l15м = 15 м; KГс – граничная кривизна, определённая по формуле (4.20).

Таким образом, максимальная высота развития ЗВТ, считая от кровли закладочных выработок гор. – 370 м Яковлевского рудника, составила 11 м.

Учитывая, что образование водопроводящих трещин тесно связано с кривизной исследователей [1, 2, 5]) и распределение кривизны для рассматриваемых условий получено по натурным измерениям (глава 3), величину НТ = 11 м следует считать достоверно определённой. Исходя из этого, толща мощностью 65 м, оставляемая как защитная, будет на 15 18 % нарушена техногенными водопроводящими трещинами, формирующимися от верхней границы очистных работ вверх по вертикали к каменноугольным породам (таблица 4.1). Остаточная мощность ненарушенной техногенными водопроводящими трещинами защитной толщи (целика) составит 54 м (52 55% от мощности оставленного целика).

Высота ЗВТ НТ = 11 м, полученная по данным натурных наблюдений за недозакладки выработанного пространства 0,3 0,4 м, которое получается при расчётах по формуле (4.18) при НТ = 11 м (таблица 4.1).

Определение высоты ЗВТ через соотношение (4.23) даёт возможность, в контролировать местоположение верхней границы ЗВТ, что важно для обеспечения безопасности ведения горных работ под водоносными горизонтами геомеханический мониторинг, организованный на руднике на базе подземных и наземных наблюдательных станций (глава 3).

4.3 Вывод зависимости граничной горизонтальной деформации от содержания глинистых пород в подрабатываемой толщи.

На основании натурных данных определения высоты зоны водопроводящих трещин (НТ) и граничной кривизны (KГ) в различных угольных бассейнах (табл.

4.2), по переходным формулам (4.10) и (4.12), были рассчитаны значения граничной горизонтальной деформации для представленных в табл. 4. конкретных горно-геологических условий натурного определения высоты зоны водопроводящих трещин.

Далее, с применением методов математической статистики была выведена зависимость граничной горизонтальной деформации (Г) от содержания глинистых пород в подрабатываемой толще (А). Полученная зависимость Г = f(А), также как и KГ = f(А) носит экспоненциальный характер, аналитическое выражение которой имеет следующий вид:

Результаты расчёта по формулам (4.10) и (4.12), помимо приведённых в таблице 4.2, показаны на графике зависимости граничной горизонтальной деформации (Г) от содержания глинистых пород (алевролитов, аргиллитов, глинистых сланцев и др.) в долях от подрабатываемой толщи (A) (рисунок 4.2).

4.4 Оценка высоты распространения зоны водопроводящих трещин с учётом водопроводящих трещин, зависящую от угловых параметров процесса сдвижения горных пород 0 и 3:

Таблица 4.2 Случаи натурного определения высоты зоны водопроводящих трещин «ЧурубайНуринская»

В таблице 4. 2, m – соответственно угол падения и мощность разрабатываемого пласта; А – содержание алевролитов, аргиллитов и глинистых сланцев в долях от подрабатываемой толщи; НТ – высота ЗВТ по натурным определениям; KГ – значение фактической граничной кривизны; Г – значение фактической граничной горизонтальной деформации.

- Г рассчитанные по формуле (4.10) с использованием данных табл 1;

- Г рассчитанные по формуле (4.11) с использованием данных табл. 1;

Рисунок 4.2 - График зависимости граничной горизонтальной деформации (Г) от содержания глинистых пород в долях от Принимая условие полной подработки, то есть N1 = N2 = 1, среднее значение максимальное оседание q0 = 0.7, cos 1 (для углов падения от 0° до 45°), среднее максимальное значение функции типовой кривой S''(zx) = 8.46 формула (4.27) примет следующий вид:

После подстановки в (4.5) выражений (4.6), (4.7) формула определения граничной кривизны примет следующий вид:

Отсюда расстояние по вертикали от пласта до слоя с граничной кривизной или высота зоны водопроводящих трещин, с учётом принятых условий и допущений, определится из выражения В результате, для оценки высоты ЗВТ по формулам (4.28) и (4.30) имеем входящие в эти уравнения величины KГ и Г, определяемые соответственно из выражений (4.11) и (4.26). В структуру упомянутых формул (4.28) и (4.30) входит такой элемент как (ctg0 + ctg3). Согласно [57] и [74] угловые параметры процесса сдвижения этого элемента 0 и 3 зависят от крепости пород (f), слагающих месторождения. Значит можно записать, что ctg0 = F1(f), ctg3 = F2(f), и (ctg0 + ctg3) = F3(f) или (ctg0 + ctg3) = [F1(f) + F2(f)]. Исходные данные для получения этих функций в виде корреляционных зависимостей приведены в табл.

4.3, составленной на основе соответствующей выборки из [57] и [74].

Таблица 4.3 - Исходные данные для получения зависимости угловых параметров процесса сдвижения горных пород 0 и 3 от крепости пород В таблице 4.3 0, 3 – соответственно граничный угол и угол полных сдвижений на разрезе по простиранию пласта; f крепость пород В результате обработки данных таблице 4.3 методами математической статистики были получены аналитические выражения указанных зависимостей:

где 0 и 3 – соответственно граничный угол и угол полных сдвижений на разрезе по простиранию пласта; f – крепость пород.

Функции (4.31) – (4.33) в виде графиков показаны на рисунке 4.3, на этот же график нанесены исходные данные таблице 4.2, по которым получены зависимости (4.31) – (4.33). На приведённых графиках (рисунок 4.3) виден механизм формирования зависимости (4.33).

- точки, отражающие зависимость (ctg0 + ctg3) от f по данным табл. 2;

- точки, отражающие зависимость ctg0 от f по данным табл. 2;

- точки, отражающие зависимость ctg3 от f по данным табл. 2.

Рисунок 4.3 - Графики зависимостей граничного угла 0 и угла На рисунке 4.3 1 – зависимость (ctg0 + ctg3) = 1.604·е– 0.058·f – 0.093; 2 – зависимость ctg0 = 1.219·е– 0.162·f – 0.197; 3 - ctg3 = 0.517·е 0.070·f + 0.036.

Таким образом, выражения (4.28) и (4.30), в которые входит величина (ctg0 + ctg3), теперь можно записать как зависящие от крепости пород:

Высота зона водопроводящих трещин с учётом распределения по мощности слоёв пород подрабатываемой толщи (раздел 3.4) следует определять из выражений:

После подстановки в (4.36) и (4.37) выражений (4.11) и (4.26) получим Сопоставление результатов расчётов высоты зоны водопроводящих трещин (ЗВТ) по формулам (4.36) и (4.37) с натурными её определениями приведены в таблице 4.4. В этой же таблице приведены данные сравнения с натурными определениями высоты ЗВТ с высотой, получаемой по известной формуле [1, 2], в которой учтено влияние распределения пород по мощности в подрабатываемой толще (таблица 4.4):

где m вынимаемая мощность пласта; с – относительный центр распределения пород по их мощности в подрабатываемой толще; KГ – граничная кривизна.

Таблица 4.4 - Оценка точности определения высоты ЗВТ по формулам (4.36) и (4.37) В таблице 4.4, m – угол падения и мощность пласта; А – содержание пород глинистого состава в долях от подрабатываемой толщи; НТn – высота ЗВТ по натурным определениям; HT – высота ЗВТ по формуле (4.36); HTk - высота ЗВТ по формуле (4.37); HT – высота ЗВТ по известной формуле в [] с учётом распределения по мощности пород толщи; 1 = HT - НТn; 2 = HTk - НТn;

3 = HT - НТn.

Используя данные таблицы 4.4, были рассчитаны средние квадратические отклонения (СКО) определения высоты ЗВТ по указанным формулам. Так, среднее квадратическое отклонение высоты ЗВТ, получаемой по формуле (4.36), от натурных её значений составило 1 = ± 9 м. Эта же величина при расчётах по формуле (4.37) составила 2 = ± 11 м. СКО при использовании известной формулы (4.38) составило 3 = ± 11 м.

Таким образом, наиболее точным является расчёт высоты ЗВТ по формуле (4.36), которая получена через граничную горизонтальную деформацию Г.

Расчёты высоты ЗВТ по формулам (4.37) (4.38) одинаковы по точности, но несколько уступают по точности формуле (4.36). Поэтому для определения величины недозакладки (m) в очистном пространстве первого отрабатываемого слоя воспользуемся формулой (4.36), в которой выразим m через высоту ЗВТ НТ, крепость пород f, содержание глинистых пород в подрабатываемой толще А:

Для условий Яковлевского рудника величина НТ = 11 м достоверно установлена на основе данных натурных наблюдений за сдвижением и деформациям горных пород (раздел 4.2). Содержание глинистых пород в долях от подрабатываемой толщи для этих условий А = 0,43. Относительный центр распределения пород по их мощности с в формуле (4.36) косвенно входит в число «0.01» формулы (4.39).

Его значение для рассматриваемых условий было определено в разделе 3.4 и составляет с = 0,86. Поскольку ЗВТ при выемке первого слоя развиваются в рудной толще предохранительного целика, то в формулу (4.39) необходимо подставить крепость руд f. По данным геологического опробования (ООО «Центрогипроруда» ООО «Металл-групп» Яковлевский рудник. Проект I очереди строительства на 10 млн. т сырой руды в год. / Том II. Шахта // Книга 1.

Пояснительная записка. П 2040-1300-ПЗ. Белгород, 2006 г.) коэффициент крепости руд по Протодьяконову для железнослюдко-мартитовых: рыхлых и гидрогематито-мартитовых и гётито-мартитовых: рыхлых – 0.11, полускальных – 0.36. Соотношение технологических типов (сортов руд) в границах между гор. м и -425 м по геологическим данным того же источника представлено в таблице 4.5. Средневзвешенное значение крепости руд по этим данным составит:

При подстановке в формулу (4.39) НТ, А, с, f, определённых для условий пространства: m 0.28 м. При f1 = 0.13 величина недозакладки составит m1 0.27 м, при f3 = 2.29 недозакладка составит m2 0.31 м. Это согласуется с оценкой m = 0.3 0.4 м (таблица 4.1).

Таблица 4.5 - Соотношение технологических типов (сортов) руд 1. Железнослюдко-мартитовые: рыхлые и 2. Железнослюдко-мартитовые: полускальные 3. Гидрогематито-мартитовые: рыхлые Таким образом, установлено, что величина недозакладки выработанного пространства составляет порядка 0.3 0.4 м, при этом надо иметь ввиду, что эта величина является средней по площади выемки руды величиной.

Формулы (4.36) и (4.37) позволяют определять высоту распространения зоны водопроводящих трещин с учётом трех параметров: крепости пород, распределения мощностей слоев подработанной толщи и содержания в ней пород глинистого состава. Такой подход повышает достоверность оценки распространения зоны водопроводящих трещин в конкретных горногеологических условиях и расширяет диапазон условий их применения для прогнозных оценок нарушенности техногенными водопроводящими трещинами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Установлено, что для прогноза зоны сдвижения подрабатываемый массив горных пород над рудным телом необходимо разделить по физико-механическим свойствам на две группы: осадочные и рудовмещающие породы. Для каждой группы, на основе метода аналогий, определены углы сдвижения, с помощью которых в подрабатываемом массиве и на поверхности осуществляется построение границ зоны опасного влияния очистных работ.

2. По данным натурных наблюдений установлено, что отношения максимальных оседаний, наклонов и кривизны слоёв массива горных пород, расположенных на различном расстоянии по вертикали от выработки, соответственно обратно пропорционально корню квадратному отношения, отношению и квадрату отношения этих расстояний до слоёв с указанными вертикальными сдвижениями и деформациями.

3. Определена зависимость высоты зоны водопроводящих трещин от распределения по мощностям слоёв пород в подрабатываемой толще.

4. Разработана методика прогноза высоты развития зоны водопроводящих трещин, основанная на учёте крепости пород, в которых образуются трещины, содержания пород глинистого состава в подрабатываемой толще и распределения мощностей осадочной толщи, разделительного водоупора и предохранительного целика рудной толщи.

5. Определение высоты зоны водопроводящих трещин (ЗВТ), через установленную по данным наблюдений за сдвижением горных пород закономерность распределения кривизны в подрабатываемой толще, даёт возможность, в комплексе с геомеханическим мониторингом, постоянно контролировать местоположение верхней границы ЗВТ, что важно для обеспечения безопасности ведения горных работ под водоносными горизонтами каменноугольной толщи.

6. Для прогноза высоты распространения зоны водопроводящих трещин и моделирования геомеханических процессов их образования численными методами получена граничная горизонтальная деформация, как функция литологического состава пород подрабатываемой толщи.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Авершин, C.Г. Горные работы под сооружениями и водоемами / C.Г. Авершин. - М.: Углетехиздат, 1954. - 324 с.

3. Авершин, С.Г. Некоторые свойства процесса сдвижения горных пород и вопросы расчета сдвижения / С.Г. Авершин // Сб.тр.ВНИМИ. - Л. - 1961. С. 3-21.

4. Авершин, С.Г. О наибольших значениях характеристик мульды сдвижения / С.Г. Авершин // Сб.тр.ВНИМИ. - Л. - 1952. - № 26. - С. 3-20.

5. Авершин, С.Г. Расчет деформаций массива горных пород под влиянием подземных разработок / С.Г. Авершин. - Л.: ВНИМИ, 1960. - 276 с.

6. Акимов, А.Г. Сдвижение горных пород при подземной разработке угольных и сланцевых месторождений / А.Г.Акимов, В.Н.Земисев, Н.Н.Кацнельсон и др. - М.: Недра, 1970. - 224 с.

7. Апухтина, И.В. Закономерности пространственного размещения богатых железных руд Яковлевского месторождения / И.В. Апухтина // Записки Горного института. Полезные ископаемые России и их освоение. - СПб: СПГГИ, 2006. - Т.167. ч.2. - С. 7–9.

использованием компьютерных технологий (на примере Яковлевского месторождения) / И.В. Апухтина // Записки Горного института. Полезные ископаемые России и их освоение. - СПб: СПГГИ, 2007. - Т.170. - С. 11–14.

9. Бахурин, И.М. Сдвижение горных пород под влиянием горных выработок / И.М. Бахурин. - М.: Углетехиздат, 1946. - 231 с.

10. Ведяшкин, А.С. Опыт отработки угольных пластов под водными объектами в Карагандинском бассейне / А.С. Ведяшкин, Б.Я. Гвирцман, Г.А. Нестеров. – М.: ЦНИЭИ-уголь, 1975. – 36 с.

11. Гвирцман, Б.Я. Безопасная выемка угля под водными объектами / Б.Я. Гвирцман, Н.Н. Кацнельсон, Е.В. Бошенятов и др. - М.: Недра, 1977. – 175 с.

12. Гвирцман, Б.Я. Безопасные глубины разработки свит пластов в Кузбассе под водными объектами / Б.Я. Гвирцман, В.Н. Гусев, Г.П. Пепеляев // Сдвижение земной поверхности и устойчивость откосов: сб.науч.трудов. - Л.:

ВНИМИ. - 1980. - С. 65-69.

13. Гвирцман, Б.Я. Изучение фильтрационных свойств подработанной толщи горных пород с помощью восстающих скважин / Б.Я. Гвирцман, Ф.П. Стрельский // Сб.тр.ВНИМИ. - Л. - 1967. - № 67. - С. 174-181.

14. Гвирцман, Б.Я. Исследование изменения проницаемости подработанной толщи с удалением от выработанного пространства на моделях из эквивалентных материалов / Б.Я. Гвирцман, Е.В. Бошенятов, Л.В. Токарева // Сб.тр.ВНИМИ. - Л. - 1967. - № 67. - С. 182-195.

15. Гвирцман, Б.Я. Методические указания по натурному определению высоты зоны водопроводящих трещин над выработанным пространством в конкретных горно-геологических условиях / Б.Я.Гвирцман, Ф.П.Стрельский. Л.: ВНИМИ, 1973. - 32 с.

16. Гвирцман, Б.Я. О зависимости высоты зоны водопроводящих трещин над выработанным пространством от вынимаемой мощности и литологического состава пород толщи / Б.Я. Гвирцман // Сб.тр.ВНИМИ. - Л. - 1974. - № 92. С. 45-49.

17. Гвирцман, Б.Я. О необходимых размерах барьерных целиков у затопленных выработок на пологих пластах Донбасса / Б.Я. Гвирцман // Сб.тр.ВНИМИ. - Л. - 1964. - № 52. - С. 127-140.

18. Гвирцман, Б.Я. О положении границ зоны водопроводящих трещин при разработке пологих пластов Кузбасса / Б.Я. Гвирцман, Г.П. Пепеляев, А.С.

Ягунов // Сб.тр.ВНИМИ. - Л. - 1979. - № 113. - С. 41-45.

19. Гвирцман, Б.Я. Определение высоты зоны водопроводящих трещин над выработанным пространством по результатам опытных нагнетаний / Б.Я. Гвирцман // Сб.тр.ВНИМИ. - Л. - 1969. - № 72. - С. 261-267.

20. Гвирцман, Б.Я. Размер зон водопроводящих трещин при разработке свиты угольных пластов / Б.Я. Гвирцман, В.Н. Гусев, А.С. Ягунов // Безопасность труда в промышленности. - 1980. - № 8. - С. 53-54.

21. Гвирцман, Б.Я. Результаты наблюдений за сдвижением неслоистых пород средней крепости при их подработке / Б.Я. Гвирцман, Н.Н. Кацнельсон // Сб.тр.ВНИМИ. - Л. - 1968. - № 64. - С. 33-38.

22. Гвирцман, Б.Я. Рекомендации по определению безопасных условий выемки свит пластов под водными объектами / Б.Я. Гвирцман, В.Н. Гусев, Н.Н. Кацнельсон, Б.И. Леваньков, А.С. Миронов, В.П. Самарин, Ф.П. Стрельский. - Л. - 1987. - 70 с.

23. Гвирцман, Б.Я. Прогнозирование высоты зоны водопроводящих трещин / Б.Я. Гвирцман, В.Н. Гусев, Л.А. Западанский // Уголь. - 1985. - № 7. С. 56-57.

24. Горное дело. Словарь / ред. Н.В. Мельников, Л.Д. Воронина, Г.П. Демидюк и др. - М.: Недра, 1974. - 528 с.

25. Гусев, В.Н. Определение параметров зоны водопроводящих трещин через горизонтальные деформации подрабатываемой толщи. / В.Н. Гусев, Д.А. Илюхин, А.Г. Алексенко // Записки Горного института – 2013. – Т. 204. – С. 69-73.

26. Гусев, В.В. Определение деформаций горных пород на шахте № «Великомостовская» Львовско-Волынского бассейна с помощью глубинных реперов / В.В. Гусев, В.Н. Земисев // Сб.тр..ВНИМИ. - Л. - 1969. - № 72. - С. 183Гусев, В.Н. Геомеханика процессов формирования техногенной структуры в слоях массива горных пород / В.Н. Гусев // Маркшейдерский вестник. - 1996. - № 3. - С. 10-13.

28. Гусев, В.Н. Геомеханика техногенных водопроводящих трещин / В.Н. Гусев - СПБ.: СПГГИ, 1999. - 156 с.

29. Гусев, В.Н. Геомеханическая оценка развития зон водопроводящих трещин в подрабатываемой толще / В.Н. Гусев, А.С. Миронов, Д.А. Илюхин, Е.В. Анопов // Маркшейдерский Вестник. – 2011. – № 5. – С. 39-44.

водопроводящих трещин в подработанном массиве горных пород / В.Н. Гусев, Ш.М. Каландаров // Маркшейдерское дело и геодезия: Межвуз.сб. - Л.: ЛГИ, 1989. - С. 26-30.

31. Гусев, В.Н. Зависимость высоты зоны водопроводящих трещин от распределения в толще породных слоев / В.Н. Гусев // Маркшейдерское дело и геодезия: Межвуз.сб. - 1997.- С. 78-81.

32. Гусев, В.Н. Исследование влияния многократных подработок на процессы образования нормальносекущих трещин в подрабатываемых слоях толщи / В.Н. Гусев, Н.Н. Заворин // Маркшейдерское дело и геодезия:

Межвуз.сб. - СПб.: ЛГИ, 1991. - С. 26-31.

33. Гусев, В.Н. Методика расчета развития зоны водопроводящих трещин в многократно подработанном массиве горных пород / В.Н. Гусев // Маркшейдерское дело и геодезия: Межвуз.сб. - Л. - 1989. - С. 16-21.

34. Гусев, В.Н. О надежности получаемых величин сдвижений и деформаций массива горных пород частотными наблюдениями в скважинах / В.Н. Гусев // Сдвижение земной поверхности и устойчивость откосов:

сб.науч.трудов. - Л.: ВНИМИ, 1982. - С. 6-10.

35. Гусев, В.Н. Оценка геомеханического состояния подработанного массива горных пород по результатам наблюдений за сдвижением скважинных реперов / В.Н. Гусев // Маркшейдерское дело и геодезия: Межвуз.сб. СПб.:СПГГИ, 1993. - С. 18-23.

36. Гусев, В.Н. Оценка степени нарушенности подрабатываемой толщи техногенными водопроводящими трещинами по данным геомеханического мониторинга в горных выработках Яковлевского рудника / В.Н. Гусев, Д.А. Илюхин, А.Е. Алексенко // Записки Горного института. – 2013. – Т. 204. – С. 74-81.

37. Гусев, В.Н. Прогноз техногенной нарушенности массива горных пород при эксплуатации угольных месторождений / В.Н. Гусев, А.С. Миронов, И.В. Тугаров // I Всесоюзный съезд инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов: Тез.докл. - Киев: Наукова думка, 1989. - С. 38-40.

38. Гусев, В.Н. Сдвижения и деформации повторно подрабатываемой толщи горных пород / В.Н. Гусев // Охрана сооружений от вредного влияния горных работ и расчет устойчивости бортов угольных разрезов: сб.науч.трудов.

- Л.: ВНИМИ, 1983. - С. 33-36.

39. Гусев, В.Н. Сдвижения и деформации слоев массива горных пород с образованием техногенных водопроводящих трещин / В.Н. Гусев, Е.С. Рожнов // Записки Горного Института. - 2011. - №190. - С. 274-277.

40. Дашко, Р.Э. Инженерно-геологическая характеристика и оценка богатых железных руд Яковлевского рудника / Р.Э. Дашко // Записки Горного института. - 2006. - Т.168. – С. 97-103.

41. Дешковский, В.Н. Рациональный подход к определению параметров безопасной отработки свиты калийных и соляных пластов. / В.Н. Дешковский, И.С. Невельсон, В.Н. Новокшонов // Маркшейдерия и недропользование. С. 42-45.

42. Дунаев, В.А. Минерально-сырьевые ресурсы бассейна КМА / Дунаев В.А. // Горный журнал. - 2004. - №1 - С. 9-12.

43. Илюхин, Д.А. Зависимость параметров зон водопроводящих трещин от геологического строения подрабатываемой толщи / Д.А. Илюхин // Маркшейдерско-геодезическое обеспечение рационального использования, охраны недр и строительства сооружений: межвуз. сб. науч. тр. / Юж.-Рос. гос.

техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ).– 2012.– С. 41-46.

44. Илюхин, Д.А. Применение моделирования методом конечных элементов при прогнозировании развития зоны водопроводящих трещин. / Д.А. Илюхин // Современные проблемы освоения недр – НИУ «БелГУ» – 2013.

– С. 45-51.

45. Илюхин, Д.А. Применение цифровых нивелиров для наблюдения за осадками сооружений / Д.А. Илюхин // Записки Горного института. – 2012. – Т. 196. – С. 65-67.

46. Инструкция по безопасному ведению горных работ у затопленных выработок. (Госгортехнадзор РФ, Минтопэнерго РФ, Гос.науч.-ислед.ин-т геомех. и маркшейд.дела) - М., 1996. - 48 с.

47. Инструкция по наблюдениям за сдвижением горных пород, земной поверхности и подрабатываемыми сооружениями на угольных и сланцевых месторождениях (Мин-во угольной промышленности СССР, Разраб. ВНИМИ) / ред. А.С. Ягунов. - М.: Недра, 1989. - 96 с.

48. Казаковский, Д.А. К вопросу о предрасчете сдвижений горных пород при разработке угольных месторождений / Д.А. Казаковский // Сб.тр.ВНИМИ. Л. - 1952. - № 25. - С. 3-11.

49. Казаковский, Д.А. К расчету деформаций поверхности при выемке пологопадающих и наклонных угольных пластов / Д.А. Казаковский // Сб.тр.ВНИМИ. - Л. - 1952. - № 26. - С. 21-32.

50. Казаковский, Д.А. Некоторые горнотехнические задачи, связанные с проблемой сдвижения горных пород. Учебное пособие для заочных групп повышения квалификации руководящих и инженерно-технических работников специальности «Маркшейдерское дело» / Д.А. Казаковский - Л.: ЛГИ, 1964. – 60 с.

51. Казаковский, Д.А. Сдвижение земной поверхности под влиянием горных разработок / Д.А. Казаковский. - М.: Углетехиздат, 1953. - 234 с.

52. Кацнельсон, Н.Н. Подработка затопленных выработок в Донецком бассейне / Н.Н. Кацнельсон, В.В. Гусев, Б.Я. Гвирцман // Сб.тр.ВНИМИ.- 1964. С. 111-126.

53. Кацнельсон, Н.Н. Предотвращение прорывов воды из обводненных Юрских отложений на Осиновском месторождении Кузбасса / Н.Н. Кацнельсон, Б.Я. Гвирцман // Сб.тр. ВНИМИ. - № 64. - С. 361-368.

Н.Н. Кацнельсон // Сб.тр. ВНИМИ. - 1971. - № 83. - С. 13-18.

55. Кашников, Ю.А. Прогноз сдвижений горных пород и земной поверхности при рназработке рудных месторождений / Ю.А.Кашников, С.Г. Ашихмин, Д.В. Шустов // Маркшейдерский вестник. - 2010. - № 4. - С. 61Кузнецов, М.А. Определение границ зон опасных сдвижений при разработке слепых залежей ограниченных размеров / М.А. Кузнецов, В.В. Громов // Сдвижение земной поверхности и устойчивость откосов:

сб.науч.трудов - Л.: ВНИМИ, 1980. - С. 39-43.

57. Кузнецов, М.А. Сдвижение горных пород на рудных месторождениях / М.А.Кузнецов, А.Г. Акимов, В.И. Кузьмин, М.Г. Пантелеев, М.Ф. Чернышев. М.: Недра, 1971, - 224 с.

58. Макаров, А.Б. Практическая геомеханика / А.Б. Макаров. - М.: Горная книга, 2006. - 385 с.

59. Научное сопровождение строительства первой очереди Яковлевского рудника: Отчет о НИР / Трушко В.Л. - СПб: СПГГИ (ТУ), 2003. - 110 с.

60. Научное сопровождение строительства первой очереди Яковлевского рудника: Отчет о НИР / Трушко В.Л. - СПб: СПГГИ (ТУ), 2004. - 105 с.

61. Научное сопровождение строительства первой очереди Яковлевского рудника: Отчет о НИР / Трушко В.Л. - СПб: СПГГИ (ТУ), 2005. - 102 с.

62. Научное сопровождение строительства первой очереди Яковлевского рудника: Отчет о НИР / Трушко В.Л. - СПб: СПГГИ (ТУ), 2006. - 113 с.

63. Научное сопровождение строительства первой очереди Яковлевского рудника: Отчет о НИР / Трушко В.Л. - СПб: СПГГИ (ТУ), 2007. - 102 с.

64. Оловянный, А.Г. Математическое моделирование развития трещин в толще пород над отработанными пластами калийных солей. / А.Г. Оловянный // Научный вестник Московского Государственного Горного Университета. - 2012.

- №3 (24). - C. 85- 65. Орлов, В.П. Железные руды КМА / В.П. Орлов. - М.: ЗАО «Геоинформмарк», 2001. - 601 с.

66. Петрук, Е.Г. Расчет горизонтальных сдвижений земной поверхности при движущемся забое / Е.Г. Петрук, В.Г. Ларченко // Изв.вузов. Горный журнал. - 1975. - № 3. - С. 86-89.

67. Попов, М.Г. Исследование устойчивости горных выработок при проходке в условиях Яковлевского рудника / М.Г. Попов // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки, серия: «Науки о Земле». Тула 2009 г. - Выпуск 4. - С. 149-152;

68. Правила охраны сооружеий и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок в Донецком угольном бассейне. / МУП СССР - М. - 1972. - 128 с.

69. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок в Кизеловском угольном бассейне / ВНИМИ - Л. - 1967. - 122 с.

70. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок в Кузнецком угольном бассейне / ВНИМИ - Л. - 1968. - 173 с.