Р»»9ЛЮЧМ» *г

ОРЛФНЛ Трудового

крв<*ФГО Ьывывн.

ИНСТИТУТ

ГОРНОГО

ДЕЛА

имени .... Скочмкского

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ ВРЕДНОГО ВЛИЯНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ НА ГЕОЛОГИЧЕСКУЮ СРЕДУ

Москва

1084

Министерство угольной промышленности СССР Академия наук СССР Ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Институт горного дела им. А. А. Скочинского

УТВЕРЖДЕНЫ

директором ИГД им. А. А. Скочинского чл.-корр. АН СССР

А. В. ДОКУКИНЫМ 5 декабря 1982 г.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ ВРЕДНОГО ВЛИЯНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ НА ГЕОЛОГИЧЕСКУЮ СРЕДУ

Москва

1984

установить допустимые перемещения л деформации породного массива и земной поверхности з окрестности капитальных горных выработок, сооружений, сельскохозяйственных угодий а водных объектов;

оценить экономический эффект таких природоохранных мероприятий, как повышение полноты извлечения угля яз недр, сохранение участков земли, используемых в народном хозяйстве, защита водных объектов от загрязнения шахтными водами;

проконтролировать степень геомеханнческих преобразований породного массива и земной поверхности (перемещения, изменения физико-механических свойств);

рассчитать параметры гордых выработок по фактору охраны среды;

рекультивировать нарушенные участки земли, восстановить нормальную эксплуатацию нарушенных объектов,

Геомехапическае задачи охраны геологической среда решаются аналитически методами механики горных пород с экспериментальной проверкой результатов в производственных (наблюдательные геодезические станции па шахтах) н лабораторных условиях .за моделях из эквивалентных материалов.

Технологические задачи охраны геологической среды рапаются методами системного анализа условий подземной разработка угольных местороадехлй я научного обобщения прснзаодственаого опыта с последующей проверкой результатов в промышленных условиях.

средней прочности, для которых 6_С = 3-10*...I-I0⁵ кЛа, р = = 30...38°.

Структура горного массива характеризуется ярко выраженной неоднородностью из-за слоистости, тектонической нарушенности, трещиноватости. В зависимости от среднего расстояния между трещинами породы делят на слабогрещиноватые ( 6_r > I м), среднетре-щиноватые ( е_т = 0,3...1,0 м), сильнотрещиноватые ( £_т<.0,3 м). Классификация пород по трещиноватости [YJ Дана в табл. 1.1.

Т 8 О Л 2 Ц 8 I.I

Класс пород Трезвя ова гость массива Расстояние меяду т редана мв ?т, и — Характеристика массива I Очень редкая 3-1 Массивные и толсто-слоистыг осадочные породы 2 Редкая 1-0,3 iteccHBHHe г толстослоистые осадочные породы 3 1Устая 0,3-0.1 Тонкослоистые осадочные породы, зоны тектонических нару-педяЗ 4 Очень густая 0,1-0,03 Зоны дрооленяя яг значительных глубинах

Обследование трещиноватости пород в 9 лавах на шахтах Донбасса, проведенное В.Л.Свержевским, показало, что осадочные породы (аргиллиты) угольных месторождений- относятся ко 2 и 3 классам. При проведении очистных выработок в их окрестностях под влиянием горного давления развиваются дополнительные трещины, з массив переходит в 3 и 4 классы по трещиноватость.

В осадочных породах имеются нормальносекущие и послойные трещины. Трещиноватость резко возрастает вблизи тектонических нарушений, а также в зоне влияния очистных работ. Число систем трещин различной ориентации достигает девяти в Кузбассе на Бо-чатском месторождении и в Прокопьевско-Каселевском районе. Плоскости ослабления расчленяют массив на большое количество отдельных элементов (породных блоков). Во многих случаях беспорядочность и хаотичность появления таких плоскостей ослабления придаю? горному массиву свойства статистической квазиизотропной среды. Системы структурного ослабления определяют блоковое строение массива со слабыми связями между достаточно жесткими и прочными блоками. Так, сцепление по контакту слоев составляет

II

10-30 кПа и менее, по тектоническим нарушениям 50-100 кПа, в трещиновато?/. массиве пород средней крепости 1-2 мПа, в крепких ненарушенных породах - до 3 мПа. 3 общем виде в трещиноватом массиве сцепление С_м определяется по формуле

С_М = С_Т + Л(С-С_Т) ,

где Л = l/[l ⁺ a_tf/x(f_c/f_r)]; С_т , С - сцепление породы по трещинам и в куске; р_т - размер элемента; е_е - размер системы элементов; а_с - коэффициент, возрастающий от I до 7 с увеличением предела прочности образцов пород на сжатие от I-I0³ до 1-10^ кПа.

Модуль упругости породы в куске в 2,8-4,4 раза больше,чем модуль упругости в трещиноватом массиве.

Характер геомеханических преобразований массива зависит от 17Стоты трещин. Ьри редкой трещиноватости массив ведет себя как анизотропная среда с предопределенными поверхностями ослабления, при частой - как однородное изотропное тело или как зернистая среда.

1.1,2. Решающим критерием для отнесения подрабатываемого массива к анизотропной или изотропной модели среды является соотношение расстояния между трещинами 1_Т (размер блока) и характерного размера деформируемого массива: t_c / С_т ^ 120. Наиболее характерны значения 1_Т от десятков сантиметров до одного-двух метров, значения £_с- от десятков до сотен метров. Следовательно, горный массив, подработанный длинными очистными забоями порядка 100 м на глубине в несколько сотен метров при отходе очистного забоя от разрезной печи на десятки метров можно считать средой сыпучей изотропной.

Известно, что гипотезу о воз.мояности отнесения сыпучего тела к сплошной среде можно применять для горного массива размером t_e101_г/п^г , где 6_Т - размер блока структурного элемента, принимаемый примерно равным расстоянию между трещинами (см. табл. I.I), а П - относительная погрешность вычислений.

Основными параметрами нарушенного массива являются координаты и размеры очистной выработки. Изменчивость их колеблется в пределах 10-20#. Например, колебания мощности пласта в лаве составляют: до 5# в 43,5# случаев, от 5,1 до 10# - в 34,4# случаев, от 10,1 до 20# - в 18,4# случаев и более 20# - в 3,7# случаев. Таким образом, даже за счет погрешности исходных данных погрешность /7 ^20#. Следовательно,условие применимости гипотезы

12

о сплошности подрабатываемого массива имеет вид Е_с ^10£_г/ 0,2* = = 250£_т . Для пород 2, 3 и 4 классов (табл. I.I) размеры подрабатываемой области Е_с должны быть не менее 100-200 м, что обычно в условиях действующих шахт соблюдается при отходе лавы от разрезной печи не менее чем на длину лавы.

I.I.3. Итак, горный массив больших размеров, измеряемый десятками метров, моделируется сплошной псевдоизотропной сыпучей средой блокового строения со слабыми связями между достаточно жесткими и прочными элементами, размер которых не менее чем на два порядка меньше размеров массива. Сыпучая среда, имитирующая трещиноватый горный массив, обладает следующими свойствами: отношение прочности пород на растяжение к действующим напряжениям сжатия мала настолько, что при приближенных вычислениях этим отношением можно пренебречь;

касательные напряжения в среде не превосходят усилий внутреннего трения;

до тех пор, пока касательные напряжения меньше усилий внутреннего трения, деформация среды незначительны;

деформации среды только сдвиговые, ее объемные деформации незначительны;

коэффициент плотности укладки структурных элементов близок О,990...О,999.

1.2. Напряжения породного массива

I.2.I. Исследуем напряженное состояние массива в прямоугольной системе координат t₉u,tr , в которой горизонтальная ось t направлена по простиранию пласта, ось и. - параллельно пласту по восстанию под углом ос к горизонту, ось v - по нормали к напластованию под углом ct к вертикали. В этой системе уравнения равновесия массива имеют вид

drut 4 = W sin. oC у ди dir dt drvu d6v 3Zvt = Wcos oi f > (I.I) ди ' dir dt

3xtu dvttr 36t ди + 3v + dt

13

Зависимости между напряжениями определяются по яззестнкм формулам:

=wtosW'JwK- ;

&_v - б^со5^гч> + 6_г&1п,^г^ ;

,    ,    f    (1.2)

6^ = 6_f st* у + &_г cos у ; r_w= 0,5(^-tf,)si«.Z V> .

где - угол между направлением 6, л осью гг.

1.2.2. Естественное поле напряжений горного массива на угольных месторождениях обусловлено лишь силами гравитации я боковым распором. Тектонические напряжения в районах отложений осадочных пород на кристаллических платформах отсутствуют-. Из уравнений равновесия (1,1) при d = C_f w-const , v = const следует, что естественное поле напряжений горного г^ассява на глубине и₁ описывается уравнением 6_f -    =    WH,    ,    ибо на площадке, нормальной

направлению напряжения касательные напряжения равны кулю. Поскольку массив находится в состоянии всестороннего сжатия без возможности бокового расширения, то в этом случае 6_г = б* -

1.2.3, Рассмотрим условие перехода породного массива з предельное состояние.Предельным называется такое состояние массива, при котором некоторое, даже малое, изменение сил уже приводит к потере его равновесия. Представим себе какую-нибудь площадку з массиве с нормалью я.. На площадке действует вектор напряжения, имеющий нормальную в_к я касательную т_лкомпоненты. Напряжения могут достигнуть предела прочности пород. Прочность горных пород оцекизается по теории Море. Разрушение породы происходит в виде отрыва под действием растягивающего напряжения либо в форме среза в зоне сжатий.

Обычное предельное состояние сжатого горного массива, моделируемого сыпучей слоистой средой, описывается уравнение?.? (1.3), специальное - системой уравнений (1.4): ¹

^? = НУ ^{+ e} I * *4? ^бл ^{+ С}-\

Обычное предельное состояние горного массива в зоне растяже-няя описывается уравнением 6 = б_р , специальное - уравнениями

6*=& р,

где    :б    'г 1 г - нормальные и касательные яаягяаеняя по

площадкам сдвига, составляющим с направлением максимального главного напряжения 6щ угол i (черточка означает принадлежность параметра к контакту слоев);

& >6 :о>р:с>С - прочностные параметры массива вне я по ^{J J}    напластовании;

угол 6 = (45°-0,5р) •    (1.5)

В условиях специального предельного состояния, обусловленного наличием протяженных поверхностей ослабления по напластова

нию, ориентация площадок скольжения относительно главных напряжений изменяется. В этом случае угол £_{1 %} зависит не только от прочности массива, но и от прочности на контакте слоев:

, Г¹р L crt}f~^C64f \

I Siltf \    +0,3+ &_z)j

L = 90° - e₁.

Б несвязной среде (если сцепление С мало по сравнению с напряжением 6₁) выражения (1.6) упрощаются до вида

После преобразований формулы (1.3)условие перехода трещиноватого породного массива в предельное состояние в окрестноотл выработки записывается в виде

t}, = K_KH,».>(}_c(l + ctp^Z£) ,

откуда, выражая прочность б_с через сцепление и угол внутреннего тремя меоежва,

Л (с- с_т )]£*£ £ + ctf£),    (1.7)

15

УДК 622.014.3:351.823.3

"Матс’рпгескне указания по предотвращению вредного влиянии горных работ ва геололчеотэ среду" разработаны по заданию управления охраны природы И:»нуглепрома СССР в Институте горного дела им. А.А.Скочивского каяд.техн. наук Е.З.Беляевым.

3 них теоретически обобщены исследования в области охраны литосфер? и гидросферы от вредного влияния последствий подземной разработки угольных месторождений. Классифицированы, развиты и обоснованы теоретически и экспериментально методы прогноза преобразований среды, окруяающей горные выработки, способы ее охраны, методы расчета и проектирования прирсдоохоаняых мероприятий. Обобщен и оценен опыт охраны природы и ее ресурсов. Рекомендуются мероприятия по спилениг потерь угля, уменьшению повреждений земной поверхности, защите водной среды от загрязнения и истощения.

Католические указания предназначены для научных а анхеяерно-тгхки-ческих работников, занимавшихся исследованиями и проектированием мероприятий по охране недр, земли, воды е горе од обивающей промышленности.

Институт горного дела мм. А. А. Схочииского (ИГЛ их. А. А. Скочинского). 19Я4

БУЯВЯВНЫВ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ПРИНЯТЫЕ В РАБОТЕ:

-    глубина очистной выработки, м

d - угол падения (залегания) пород и пластов, град т - рабочая мощность пласта, м т_г - геологьческяя мощность пласта, м t - длина очистной выработки, м l_t - то же по простиранию пласта, м 1_и - то ке вкрест простирания пласта, м п - коэффициент разрыхления пород непосредственной кровли а_к - ширина камеры, м 5_к - ширина ыежкамерного целика, м K_v - кратность подработки к_п - предельная кратность подработки к_э - коэффициент усадки закладочного массива h_K - мощность непосредственной кровли очистной заработки, м К_н - коэффициент нормативной эффективности мер по охране К_р - коэффициент расчетной эффективности мер по охране

-    го же при применении закладки к_р% - го же при частичной выешсе пласта

W - плотность пород, Я/м²

£ - минимальная мгновенная прочность вмещающих пласт пород дли зерен закладочного материала при одноосном сжатии, Па

£ - модуль упругости (деформация) пород, Н/м²

р - угол внутреннего трения пород, град

А - коэффициент структурного ослабления пород

^ - коэффициент бокового j^cnopa пород, £ = £^²(45° - 0,5^э)

г> - параметр упругого восстановления пород, м^/Н; v = (1-2^^)/В

j, - коэффициент пересчета нормальных напряжений, j = cos^lcc + $sin^£u

Л, -2 параметр сыпучей среды в предельном состоянии, А* = sin. Ш, /COS V, г г' 1 6 ~ угол между направлением максимального главного напряжения породного массива и касательной к линии скольжения, £ = 45° - 0,5f 6 -    коэффициент Пуассона -    нормальные и касательные напряжения

иб3,бг - главные нормальные максимальное, минимальное и среднее напряжения

- прочность пород на растяжение t Прямоугольные нормальные координаты точки: -горизонтальная координата, отсчитываемая по оси, параллельной простиранию пласта, м и - координата, отсчитываемая по оси, направленной вкрест простирания параллельно напластованию, м гг - координата, отсчитываемая по оси, направленной по нормали к напластованию, м а - максимальная высота зоны полной подработки, м Н - высота подработанной толщи, м Угловые параметры: о = ctg. ft , а = ctg. ft, 6 = ctg. ft Углы полных сдвижений, град:

у3 = 45и + 0,5 j> = 45° + 0,5р- 0,5 ы, у г = 45° + 0,5jj + 0,5оС

О■ - максимальный прогиб покрывающей толщи пород, и - осадка пород, м ^ - горизонтальное перемещение пород, м I - наклон породного массива

Деформация сжатия (-) и растяжения (+) породного массива:

£_х - горизонтальная - вертикальная *•    -    кривизна выпуклостью вверх (-) и вниз (+), 1/м

Индексы зон подработанного массива:

А    -    зона    полной надработки.

Б    -    зона    полной подработки

В    -    зона    сдвигов

Г    -    зона    прогибов.

Д - участок полной подработки в главном сечении по простиранию*

Ж, Е - участки полной подработки в главных сечениях вкрест

простирания со стороны соответственно нижней и верхней границ очистной выработки И, 3    -    угловые участки мульды со стороны нижней и верхней гра

ницы выработки о - коэффициент относительного оседания

5

у - коэффициент относительного горизонтального сдвига по простиранию пласта

X - то же вкрест простирания

К - коэффициент концентрация опорного давления

Примечания: I. Размерность величин принята в системе СИ (Международная система единиц). 2. Смысл индексов при буквенных обозначениях: индексы А, Б, В, Г, Д, 5, Ж, 3, И означают принадлежность величины к зоне или участку, обозначенным этими индексами; индексы t , и , v означают, что величина ориентирована вдоль оси, обозначенной этими индексами; индекс П означает предельную величину. 3. Смысл двойной индексации: верхний индекс I принимается, если координата {Q-ir)tpd_t нияний индекс 2 принимается, если u>((l-ir)t(jcL.

6

ЯШЗДИМК

Проблема охраны окружающей среды при подземной разработке угольных месторождений включает несколько аспектов: охрану недр; охрану земной поверхности и толщи горных пород от вредных геоме-ханических преобразований; охрану земли и воды от загрязнения отходами шахт.

Охрана окружающей среды промышленных регионов - важнейшая проблема XX века. Конституция и рад законов СССР по охране недр, земли, воды и воздуха регулируют действия человека по отношению к природе. Пре подземной разработке угольных месторождений неблагоприятное влияние на природу проявляется в виде:    геомеха-

ннческжх, гидрологических и химических преобразований толщк горных пород и земной поверхности в окрестности горных выработок, потерь угля в недрах и засорения земли, води н воздуха отхадакп производства. Не обходим а умэть бороться с этил* вредода* проявлениями работы шахт.

Несколько триллион о е тонн запасов угля, разведанных до глубины 1,8 кк, являются некондиционными и не числятся на балансе отрасли, так как отсутствует рациональная технология добычи: а) пластов тоньше 0_Г5 м, б) на глубинах более 1,2 кы, в) пластов обводненных, сильно нарушенных, оо слабыми и неустойчивыми вмэтцающкмн породам*. Кнлдиардн тонн угля законсервированы под застроенной территорией к природными объектами:    в Караганде -

около 2 илрд.т, в Кузбассе - около I мдрд.т, в Донбассе - 30% балансовых запасов, в Центральном Донбассе - ЬО% запасов (540 ьган.т), под лесами Подмосковья - 0,7 мдрд.т.

При подземной разработке из недр извлекается только 3/4 балансовых запасов угля, остальные теряются безвозвратно. В отходы ежегодно адат 10*^ т породы, 10^ м³ минерализованных вод. Угольные меоторо^деник занимают, около 10% территории СССР.В РСФСР они имеются в 23 областях, на Украине - в 5 областях. Только в Дон-

7

бассе ежегодно 100-200 км² территории оседает па 0,5-2,0 м, захламляются пустой породой и отходами углеобогащения 50 км² земли, атмосфера засоряется пылью и продуктами горения отвалов.

Охрана геологической среды при подземной разработке угольных месторождений - это комплекс горных мероприятий: а) по повышению полноты извлечения полезных ископаемых из недр; б) по снижению уровня вредных геомеханических преобразований толщи горных пород и земной поверхности; в) по предотвращению нежелательных гидрологических и химических преобразований и засорения земли, воды и воздуха отходами производства.

Повышение полноты извлечения угля из недр достигается за счет совершенствования систем разработки пластов и снижения эксплуатационных и общешахтных потерь угля при применении бесце-ликовых способов охраны подготовительных выработок, шахтных стволов, зданий, сооружений и природных объектов. Применение бесцеликовых способов охраны объектов, находящихся в зоне вредного влияния горных выработок, возможно лишь при наличии данных о характере геомеханических преобразований толщи горных пород и земной поверхности, обусловленных добычей угля; о степени влияния этих преобразований на охраняемые объекты; о допустимом уровне влияния горных выработок на объекты.

Прогноз геомеханических преобразований горного массива, окружающего выработку, является предметом механики горных пород и ее раздела - сдвижение горных пород и земной поверхности.

Влияние геомеханических преобразований горного массива (выполняющего функции ограждения или основания для сооружения или природного объекта) на объект охраны является предметом строительной механики, гидротехники (если охраняется водный объект) или агрохимии (если охраняется почвенный слой земли).

Допустимый уровень влияния шахт на охраняемые объекты определяется их характером, назначением, устройством, расположением, природами и социальными условиями.

Таким образом, проблема охрены окружающей среды находится на стыке ряда установившихся научных направлений: горного, марк-

8

шейдерского и строительного дела, геология и географии, физики и химии, социологии и экономики. Трудность решения этой проблемы соизмерима с ее социальным значением.

Прогнозирование влияния процессов добычи на окружающую среду дает возможность создать научную основу для проектирования мер ее охраны.

Меры охраны могут быть горными, строительными, гидротехническими, агрономическими и другими в зависимости от условий разработки месторождений, типа охраняемого объекта, его социальной и хозяйственной ценности и ряда других факторов.

Создание и обоснование научных основ проектирования мероприятий (главным образом, горных) по охране окружающей среды при подземной разработке угольных месторождений является основной целью настоящей работы.

Основная геомехааяческая задача охраны окружающей среды от вредных геомеханических преобразований горного массива заключается в расчете параметров подземных выработок по условию сохранения допустимого уровня их воздействия на подрабатываемые объекты. Аналитически это условие имеет вид

; d£d_n ,

где в левой части неравенств даны ожидаемые перемещения и деформации, а в правой - их предельно допустимые значения на охраняемом участке горного массива.

Основная технологическая задача охраны окружающей среды на шахте заключается в совершенствования систем разработки пластов угля в целях повышения полноты извлечения угля из недр и сокращения объема отходов производства (породы, высокоминералязован-ных шахтных вод). Аналитическая форма этой задачи: П$П_п иля v_n ,где в левой части неравенств соответственно фактические потери угля и объем отходов,а в правой - их предельные значения.

Решения основных задач получают проработкой и сравнением вариантов технологических и природоохранных мероприятий в конкретных социальных, горно-геологических и географических условиях.

3 "Методических указаниях"... рассматриваются следующие задачи:

разработать прогноз геомеханических преобразований породного массива и земной поверхности в районе шахты;

9

1

*k.4f + ^c*

2