Особенности развития повреждений земной поверхности при крутом залегании пластов
Розглянуто механізм утворення провалів и осідань на виходах вугільних пластів при їх крутому заляганні, приведені характерні приклади. Collapse and subsidence mechanism at steeply pitching coal bed outcroppings is considered and case studies are given....
Збережено в:
| Дата: | 2007 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
2007
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/13970 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Особенности развития повреждений земной поверхности при крутом залегании пластов / Е.И. Питаленко, А.Н. Феофанов, В.Н. Ермаков // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2007. — № 1. — С. 146-157. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-13970 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Питаленко, Е.И. Феофанов, А.Н. Ермаков, В.Н. 2010-12-07T13:43:34Z 2010-12-07T13:43:34Z 2007 Особенности развития повреждений земной поверхности при крутом залегании пластов / Е.И. Питаленко, А.Н. Феофанов, В.Н. Ермаков // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2007. — № 1. — С. 146-157. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1996-885X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/13970 622.838 Розглянуто механізм утворення провалів и осідань на виходах вугільних пластів при їх крутому заляганні, приведені характерні приклади. Collapse and subsidence mechanism at steeply pitching coal bed outcroppings is considered and case studies are given. ru Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України Особенности развития повреждений земной поверхности при крутом залегании пластов Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Особенности развития повреждений земной поверхности при крутом залегании пластов |
| spellingShingle |
Особенности развития повреждений земной поверхности при крутом залегании пластов Питаленко, Е.И. Феофанов, А.Н. Ермаков, В.Н. |
| title_short |
Особенности развития повреждений земной поверхности при крутом залегании пластов |
| title_full |
Особенности развития повреждений земной поверхности при крутом залегании пластов |
| title_fullStr |
Особенности развития повреждений земной поверхности при крутом залегании пластов |
| title_full_unstemmed |
Особенности развития повреждений земной поверхности при крутом залегании пластов |
| title_sort |
особенности развития повреждений земной поверхности при крутом залегании пластов |
| author |
Питаленко, Е.И. Феофанов, А.Н. Ермаков, В.Н. |
| author_facet |
Питаленко, Е.И. Феофанов, А.Н. Ермаков, В.Н. |
| publishDate |
2007 |
| language |
Russian |
| publisher |
Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України |
| format |
Article |
| description |
Розглянуто механізм утворення провалів и осідань на виходах вугільних пластів при їх крутому заляганні, приведені характерні приклади.
Collapse and subsidence mechanism at steeply pitching coal bed outcroppings is considered and case studies are given.
|
| issn |
1996-885X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/13970 |
| citation_txt |
Особенности развития повреждений земной поверхности при крутом залегании пластов / Е.И. Питаленко, А.Н. Феофанов, В.Н. Ермаков // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2007. — № 1. — С. 146-157. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT pitalenkoei osobennostirazvitiâpovreždeniizemnoipoverhnostiprikrutomzaleganiiplastov AT feofanovan osobennostirazvitiâpovreždeniizemnoipoverhnostiprikrutomzaleganiiplastov AT ermakovvn osobennostirazvitiâpovreždeniizemnoipoverhnostiprikrutomzaleganiiplastov |
| first_indexed |
2025-11-24T16:44:28Z |
| last_indexed |
2025-11-24T16:44:28Z |
| _version_ |
1850486797496221696 |
| fulltext |
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 1, 2007
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 1, 2007
УДК 622.838
ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ ЗЕМНОЙ
ПОВЕРХНОСТИ ПРИ КРУТОМ ЗАЛЕГАНИИ ПЛАСТОВ
Е.И. Питаленко, А.Н. Феофанов
(УкрНИМИ НАНУ, г. Донецк, Украина)
В.Н. Ермаков
(Министерство охраны окружающей среды, г. Киев)
Розглянуто механізм утворення провалів и осідань на
виходах вугільних пластів при їх крутому заляганні, приведені
характерні приклади.
Collapse and subsidence mechanism at steeply pitching coal bed
outcroppings is considered and case studies are given.
Известно, что старые горные выработки, сохранившиеся на
выходах угольных пластов, представляют опасность для земной
поверхности [1, 2, 3]. Эта опасность заключается в возможности
активизации процесса сдвижения породной толщи, зависшей над
сохранившейся выработкой (пустотой) с образованием на земной
поверхности повреждений различных форм и размеров. Наиболее
опасным видом повреждений являются провалы, негативно
отражающиеся на поверхностном ландшафте и приводящие к
разрушению поверхностных объектов.
Механизм развития повреждений земной поверхности при
пологом залегании пластов в определённой степени изучен и по
этому вопросу проведен ряд существенных исследований [4, 5].
Однако, при крутом залегании пластов (Центральный район
Донбасса) процессы провалообразований в местах
сосредоточения старых выработок имеют свои особенности,
которые до настоящего времени малоизученны.
146
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 1, 2007
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 1, 2007
Существенное влияние на механизм сдвижения пород и, в
конечном итоге, на сам процесс развития провалов оказывает
угол падения пластов. При пологом падении α < 25º сдвижение
пород происходит в форме прогиба слоёв подобно прогибу балок,
защемлённых по двум концам.
При наклонном и крутом падении 25º < α < 65º сдвижение
слоёв горных пород происходит подобно прогибу наклонных
консольных балок, защемлённых в основании. Вследствие этого
при крутом залегании пластов горизонтальные сдвижения и
деформации земной поверхности резко возрастают и становятся
больше вертикальных сдвижений и деформаций в отличие от
пологого залегания, где наблюдается обратная картина.
При углах падения α > 65º сдвижение пород качественно
изменяется. Вместо прогиба слоёв происходит сдвиг пород
висячего и лежачего боков в сторону выработки.
Проведенными исследованиями [4, 6] установлено, что
нормативно установленная опасная глубина для оценки степени
опасности старых выработок является не вполне корректной. Эта
глубина колеблется от 60 м в районах залегания углей марок А, Т
до 160 м в районах углей марок Д, Г.
При этом ширина опасной зоны l на земной поверхности, в
пределах которой возможны появления провалов, будет
определяться (см. рис. 1):
dHctgl += α , (1)
где H – предельная глубина развития провала, м;
α – угол падения пласта, град.;
d – диаметр провала на поверхности за счёт обрушений
наносных отложений, м.
Очевидно, что с увеличением угла падения пласта ширина
опасной зоны на земной поверхности будет уменьшаться. Так,
при α = 70º ширина опасной зоны будет от 22 м в районах
залегания углей марок А, Т до 60 м при углях марок Д, Г.
Практически эта зона будет сосредоточена в виде полосы,
вытянутой вдоль выхода пласта под наносы. В висячем крыле
процесс накопления обрушенного материала на почве выработки
(пустоты) невозможен, т. к. при таких углах залегания
147
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 1, 2007
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 1, 2007
происходит перепуск обрушенной массы вниз по падению на
нижележащие горизонты.
Рис. 1. Схема к определению на земной поверхности шири-
ны зоны, опасной по провалам
При этом механизм «самоподбучивания», когда
разуплотнённые обрушенные породы заполняют пустоту до
самого купола, не реализуется, и свод обрушения
беспрепятственно перемещается в породной толще и образует
провал на земной поверхности (рис. 2).
При этом, в отличие от пологого падения, не важно над
какой выработкой начался процесс активизации породной толщи.
Наличие условий для перепуска обрушенных пород
обуславливает образование повреждений земной поверхности в
виде провала, как над протяжёнными, так и над очистными
выработками. Такая схема развития провала характерна для
условий круто-наклонного залегания пластов.
148
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 1, 2007
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 1, 2007
При крутом залегании пластов, когда горизонтальные
составляющие процесса сдвижения намного превышают
вертикальные, зона образования провалов будет сосредоточена
на выходах пластов. Это, как правило, провалы на устьях
наклонных стволов и шурфов и провалы при разрушении или
сползании целиков угля, оставляемых по технологии выполнения
очистных работ на крутых пластах для охраны подготовительных
выработок.
Рис. 2. Образование провалов в висячем крыле при крутона-
клонном залегании угольных пластов
Учитывая вышеупомянутый механизм сдвижения при
крутом залегании пластов, можно утверждать, что кроме
образования провала на выходе пласта, подвижки лежачего и
висячего крыльев в сторону выработанного пространства, с
учётом выветрелых, разуплотнённых пород приповерхностной
149
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 1, 2007
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 1, 2007
зоны, приведут к заметным оседаниям земной поверхности в этой
зоне (рис. 3).
Рис. 3. Возможные повреждения земной поверхности при
крутом залегании пластов
Рассмотрим случай, когда под выходом пласта оставлен
угольный целик некоторых фиксированных размеров. Расчётная
схема представлена на рис. 4. Для расчетной схемы примем
случай, когда, когда угольный целик при мощности пласта 1 м
удерживается в равновесии за счет сил его распора между
боковыми породами. В расчетах принимаем следующее
допущение: силы трения между боковыми породами и угольным
целиком со стороны кровли и почвы равны. Поэтому сила
противодействия сползанию целика угля будет равна:
αcos2 fGF = , (2)
где: G – вес угольного целика, т;
150
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 1, 2007
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 1, 2007
f – коэффициент трения между породными слоями и углем.
Рис. 4. Расчётная схема к определению условий образования
провала на земной поверхности
Уравнение предельного равновесия угольного целика над
старыми горными работами можно представить в следующем виде:
αα sincos2 GfG = (3)
Путем несложных преобразований получим выражение для
предельного угла падения, при котором будет соблюдаться
условия равновесия:
farctg2=α (4)
Из экспериментальных данных [7, 8] известно, что
коэффициент трения породы о породу составляет 0,5 – 0,6. Таким
образом, при указанных коэффициентах трения критическими по
151
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 1, 2007
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 1, 2007
провалам (сползаниям угольных целиков над старыми горными
работами) являются углы падения 45-50º.
При увлажнении уголь и породы изменяют свои свойства.
Это происходит вследствие того, что при проникновении воды в
структуру породы или угля изменяются связи между мицеллами
и отдельными микрозёрнами. Поскольку вода является хорошим
растворителем с большей, чем у пород и угля, диэлектрической
постоянной, то это приводит ослаблению связей между
частицами породы и угля и уменьшению механической
прочности.
В табл. 1 представлены результаты исследований физико-
механических свойств различных пород и угля с естественной
влажностью и при искусственном увлажнении. Пробы были
отобраны на шх. им. Дзержинского ПО «Дзержинскуголь» на
горизонте 1026 м (не выветренная часть карбона).
Таблица 1
Изменение прочностных свойств угля и горных пород при их
увлажнении
До увлажнения После увлажнения №
п/п Породы, уголь σсж,
МПа
σр,
МПа
Прирост
влажности, %
σсж,
МПа
σр,
МПа
1
Песчаник
карбонатизированный,
зернистый
(кровля пл. l4
н)
84,7 6,5 2,0 64,8
(76,5 %)
5,1
(78,5 %)
2
Песчаник
мелкозернистый,
(почва пл. k5)
73,0 10,3 2,0 38,0
(52 %)
5,6
(54 %)
3
Алевролит
(непосредственная
кровля пл. l4
н)
38,4 3,8 3,6 17,2
(45 %)
2,3
(60 %)
4 Аргиллит
(кровля пл. k5)
48,0 3,7 2,0 25,6
(53 %)
2,4
(65 %)
5 Уголь пл. k5 15,2 1,2 3,6 6,4
(42 %)
0,6
(50 %)
6 Уголь пл. l4
н 14,5 1,1 2,6 8,6
(59 %)
0,9
(82 %)
152
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 1, 2007
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 1, 2007
Как видно из полученных результатов, при увеличении
влажности на 2,0 – 3,6 % уменьшаются как предел прочности на
одноосное сжатие, так и предел прочности на растяжение. Так,
прочность песчаников уменьшается на 24 – 48 %, алевролитов -
на 40 – 54 %, аргиллита - на 35 – 47 %, а угля - на 18 – 58 %, т.е.
уголь и порода снижают прочность практически в 2 раза. При
этом уменьшается и коэффициент сцепления угольного целика с
боковыми породами, что приведёт к обрушению (сползанию)
целика и образованию провалов на земной поверхности.
Подобные исследования [7], выполненные для пород не
выветренной части при пологом залегании, показали, что потеря
прочности у аргиллитов и алевролитов составляет 18 – 35 %, у
песчаников – 12 – 22 %, а у известняков - 5 – 15 %.
Исследования изменений прочностных свойств горных
пород в зоне выветривания карбона при пологом залегании [9]
свидетельствуют, что при водонасыщении наибольшая потеря
прочности наблюдается у глинистых пород и составляет от 40 до
70 %. У песчаников – от 15 до 38 %. Прочность известняков во
влажном состоянии практически не уменьшается. В табл. 2
сведены результаты указанных исследований изменения
прочностных свойств основных породных слоёв карбона.
Таблица 2
Максимальное уменьшение прочности при водонасыщении
Не выветренная часть карбона Зона
выветривания Основные
породные слои Пологое
залегание, %
Крутое
залегание, %
Пологое
залегание, %
Песчаники 22 48 38
Алевролиты 35 55 60
Аргиллиты 35 47 67
Известняки 11 - 11
Видно, что в не выветренной части карбона при
водонасыщении пород наибольшая потеря прочностных свойств
(в 2 раза) наблюдается при крутом залегании. При этом
153
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 1, 2007
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 1, 2007
критический угол провала может уменьшиться, и при
коэффициенте трения 0,25 угол составит 26-28º.
Породы зоны выветривания отличаются повышенной
пористостью и трещиноватостью (как естественной, так и за счёт
неоднократной подработки по нижележащим горизонтам), более
низкими физико-механическими свойствами. Любое
дополнительное обводнение таких пород приводит к
существенному уменьшению их прочностных свойств (до 70 % у
глинистых пород). Логично предположить, что обводнение
крутозалегающих пород зоны выветривания приведёт к ещё
большей потери их прочностных свойств.
В качестве характерных примеров повреждений земной
поверхности при крутом залегании пород можно привести
следующие случаи, произошедшие на шахтах Центрального
района Донбасса.
В конце марта 2004 г. на промплощадке шх. № 4
«Александровская» ГП «Орджоникидзеуголь» в 7 м южнее
здания насосной станции произошёл провал (рис. 5).
Рис. 5. Эскиз провала на промплощадке шахты № 4 «Алек-
сандровская» по состоянию на 04.04.2004 г
154
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 1, 2007
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 1, 2007
Провал образовался на выходе пласта h10 «Бабаковский»,
залегающего под углом 70º и мощностью 1,5 м. Размеры провала
составили в плане 26 х 6,5 м. Первоначальная глубина провала
была 4,5 м, в последующем – 9…10 м. Обследованием
установлено, что после обильного таяния снега и проникновения
паводковых вод произошло обводнение группы целиков,
оставленных в лаве в 1939 г., и последующее их частичное
разрушение и сползание по почве пласта. Непосредственная
почва представлена алевролитом комковатой текстуры, склонным
к сползанию и аргиллитом, неустойчивым, также склонным к
сползанию. Сам пласт h10 осложнён раздувами до 2,0 м и
пережимами до 0,5 м.
Кроме самого провала на земной поверхности со стороны
лежачего крыла параллельно линии выхода пласта образовалась
трещина с небольшими оседаниями и провалами в местах
близлежащих ликвидированных стволов. Повреждён туалет,
попадающий в эту зону. Оседания почвы со стороны висячего
крыла привели к образованию трещин вдоль фундамента здания
насосной и трещин по откалыванию самой стены от здания.
01.03.2004 г. на промплощадке шахты «Ольховатская» ГП
«Орджоникидзеуголь» в 2-х метрах от северного фасада
котельной образовался провал на устье наклонного шурфа (α =
70º) по пл. k7 «Александровский». Повреждена вертикальная
колонна поверхностного водовода. В самой котельной,
расположенной на лежачем крыле, произошло оседание пола до
100 мм с образованием трещин по стенам. Установлено, что
предполагаемой причиной образовавшихся повреждений явилось
комплексное воздействие техногенного (влияние подработки по
нижележащему пласту k3 «Дерезовка» на глубине 380 м) и
гидрогеологического (обильное таяние снега порывы воды и
канализации) факторов. Не исключено развитие провала в 5 м
западнее над ещё одним шурфом по этому же пласту.
ВЫВОДЫ
Особенности активизации процесса сдвижения над старыми
горными выработками при крутом залегании пластов
155
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 1, 2007
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 1, 2007
заключаются в следующем. Основными видами повреждений
земной поверхности являются провалы на выходе угольного
пласта, образующиеся в основном за счёт сползания
предохранительных целиков по почве пласта, и оседания со
стороны лежачего и висячего крыльев, зона которых
сконцентрирована вдоль линии выхода пласта под наносы.
Ширина опасной зоны прямопропорциональна углу залегания
пласта. Основной причиной разрушения (сползания) целиков на
выходах пластов является потеря прочностных свойств угля и
пород зоны выветривания при обводнении (как за счёт
затопления при ликвидации предприятий, так и за счёт
проникновения паводковых вод с поверхности).
СПИСОК ССЫЛОК
1. Медянцев С.А. Оценка влияния на земную поверхность
старых выработок угольных шахт // Уголь Украины.-1981.- №
12.- С.15-16.
2. Решение геоэкологических и социальных проблем при
разработке и закрытии угольных шахт / В.Ф. Янукович,
Н.Я. Азаров, А.Д. Алексеев, А.В. Анциферов, Е.И. Питаленко
- Донецк: ООО «Алан», 2002. – 480 с.
3. Гавриленко Ю.Н., Феофанов А.Н. Оценка современного
состояния старых горных выработок на малых глубинах //
Известия Донецкого горного института, № 2.- 2001. – С. 87-
91.
4. Феофанов А.Н. Обоснование параметров учёта старых
горных выработок на малой глубине для охраны
поверхностных объектов: Автореф. дис... канд. техн. наук:
05.15.01. – Донецк, 2003. – 19 с.
5. Гавриленко Ю.Н., Ермаков В.Н., Феофанов А.Н.
Максимальные деформации земной поверхности над
очистными выработками на малых глубинах // Проблеми
гірського тиску: Зб. наук. пр. № 7. - Донецьк.-2001. - С.137-
150.
156
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 1, 2007
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 1, 2007
6. Гавриленко Ю.Н., Улицкий О.А., Шиптенко А.В. Об
условиях образования провалов на земной поверхности над
горизонтальными и наклонными выработками // Проявление
горного давления: Сб. науч. тр. № 3. – Донецк. – 1999. – С.
110 – 115.
7. Малинин С.И. Геологические основы прогноза поведения
пород в горных выработках. – М.: Недра, 1970. – 192 с.
8. Мэркс И., Юнгвиц Г. Горная механика. - Углетехиздат, 1957.
– 356 с.
9. Гавриленко Ю.Н., Ермаков В.Н., Феофанов А.Н. Прочность
горных пород в зоне выветривания карбона // Наукові праці
Донецького державного технічного університету, Серія
гірничо-геологічна, вип. 45, Донецьк, ДонНТУ. – 2002. – С.
152 – 155.
157
|