Обоснование методики прогнозирования динамики сдвижения земной поверхности на этапах отработки пологих угольных пластов

Диссертационная работа посвящена исследованию развития геомеханического процесса в породном массиве во взаимосвязи с геотехнологическими параметрами отработки пологих пластов различных марок угля и разработке нового подхода к прогнозированию динамики сдвижения земной поверхности на основании математического моделирования данных процессов. Достоверный прогноз параметров сдвижения земной поверхности способствует успешному решению многих задач горного производства и уменьшению горно-экологических рисков, что подтверждает актуальность диссертации. Объектом исследования является геомеханический процесс сдвижения породного массива и земной поверхности во взаимосвязи с геотехнологическими параметрами отработки пологих пластов различных марок угля. Предметом исследования являются динамические параметры и закономерности процесса сдвижения породного массива и земной поверхности на этапах отработки пологих угольных пластов. Цель исследования заключается в обосновании методики прогнозирования динамики сдвижения земной поверхности на различных этапах очистных работ при отработке пологих угольных пластов. В соответствии с целью были поставлены и решены следующие основные задачи исследования: – разработать обобщенную схему и исследовать параметры начала сдвижения земной поверхности на первом этапе очистных работ; – исследовать динамику активного сдвижения породного массива и земной поверхности на этапе развития очистных работ; – изучить условия и динамические параметры процесса сдвижения земной поверхности на этапе движущегося очистного забоя после образования плоского дна мульды; – обосновать математические модели описания закономерностей сдвижения земной поверхности на всех этапах очистных работ; – разработать методику прогнозирования динамики сдвижения породного массива и земной поверхности для всех этапов очистных работ. Обоснование актуальности темы диссертационной работы, определение объекта и предмета исследований, формулировка цели и задач диссертационной работы, обоснование методики исследования, а также научная новизна, теоретическая и практическая значимость полученных результатов, изложены во введении диссертационной работы. На основании литературного обзора по теме диссертации, выполненного в первой главе работы, и анализа основных факторов геотехнологического и геомеханического процессов, оказывающих значительное воздействие на оседание породной толщи на стадии формирования мульды сдвижения и после достижения полной подработки земной поверхности, установлены особенности динамики геомеханического процесса сдвижения на различных этапах очистных работ, выявлены недостатки исследований, связанные с изучением горно-геологических и горнотехнических условий очистных работ. Используя результаты аналитических исследований деформирования породного массива и оседания земной поверхности при ведении горных работ, представленных во второй главе диссертации, были обоснованы общие закономерности и введены новые параметры развития геомеханического процесса, разработана обобщенная схема динамики сдвижения подработанного породного массива и земной поверхности до и после образования плоского дна мульды, которая позволяет характеризовать скорость деформирования породного массива через параметры кривых оседания земной поверхности при развитии очистных работ, а также обоснованы динамические показатели геомеханического процесса, учитывающие строение и прочностные свойства подработанной породной толщи. Установлено, что сдвижение земной поверхности начинается, когда геодинамический критерий достигает значения равного единице, а динамика оседания породного массива и поверхности на активной стадии очистных работ характеризуется обобщенным показателем сдвижения породной толщи. Проведенные в третьей главе корреляционно-регрессионный анализ и статистическая обработка методом наименьших квадратов известных экспериментальных данных оседания земной поверхности в различных горно-геологических условиях шахт им. С. М. Кирова, №9 ПО «Скуратовуголь», №22 «Коммунарская», им. Г. Г. Капустина, «Белозерская», «Степная», им. А. Ф. Засядько, им. П. Л. Войкова, «Юбилейная», «Первомайская», им. М. В. Фрунзе позволила с высокой степенью достоверности (R ³ 0,95–0,98) получить экспоненциальные зависимости для максимального оседания земной поверхности на начальной и активной стадиях сдвижения, а также логистические зависимости при движении очистного забоя после образования плоского дна мульды сдвижения. Полученные математические модели позволяют рассчитывать граничные и динамические параметры геомеханического процесса сдвижения горных пород. При этом возможно использовать математические зависимости, как с абсолютными, так и с относительными параметрами, для определения показателя сдвижения и влияния геометрических и технологических параметров выработанного пространства на динамику сдвижения поверхности. По результатам экспериментальных данных установлена эмпирическая зависимость для расчета коэффициента породного массива по параметрам геотехнологического процесса и получена новая формула для определения показателя сдвижения на активной стадии с учетом коэффициента крепости пород, глубины ведения очистных работ и мощности вынимаемого пласта. В четвертой главе, используя результаты корреляционного анализа эмпирических параметров кривых оседания поверхности на стадии формирования мульды сдвижения земной поверхности и после достижения ее полной подработки, получены зависимости коэффициентов экспоненциальной и логистической кривых от мощности вынимаемого пласта, глубины ведения очистных работ, скорости подвигания забоя и структурно-прочностных свойств вмещающих пород. На основании полученных эмпирических зависимостей и обобщенной схемы динамики оседания земной поверхности был разработан новый методический подход прогнозирования динамики сдвижения земной поверхности на всех этапах очистных работ, который позволяет определять параметры, закономерности и безопасные условия оседания земной поверхности на стадии проектирования очистных работ. Приведены результаты прогнозирования параметров и стадий сдвижения земной поверхности на этапах отработки пологих угольных пластов для объектов с различными горно-геологическими и горнотехническими условиями. Практическая значимость диссертационной работы подтверждается реализацией основных выводов и рекомендаций работы, принятых геолого-маркшейдерскими службами шахт Ш/У «Ровеньковское» ГУП ЛНР РТК «Востокуголь» для применения в технологическом процессе угледобычи на антрацитовых шахтах. Представленные положительные результаты прогнозирования параметров и закономерностей динамики сдвижения земной поверхности на 10 объектах с различными марками угля с высокой достоверностью (погрешность не превышает 12%) подтверждают обобщенную схему и новую методику расчета параметров и закономерностей геомеханического процесса на всех этапах очистных работ в зависимости от структурно-прочностных свойств породного массива, глубины работ, мощности пласта и скорости подвигания очистного забоя. Применение данной методики позволяет избежать трудоемких и длительных маркшейдерских наблюдений и на стадии проектирования горных работ оценить параметры и безопасные условия подработки пород и земной поверхности.