Анализ устойчивости маркшейдерских опорных сетей на шахтах Донбасса

Грищенков А.Н., Грищенкова М.В., ДонНТУ

Введение

Планирование ведения горных работ и отработки полезного ископаемого невозможно без построения в подземных горных выработках единой сети опорных пунктов, пространственные координаты которых должны быть определены с необходимой точностью в единой общегосударственной системе координат.

В статье "Отработка угольных пластов в условиях влияния зон повышенного горного давления" [1] приводится, что на шахтах объединения Шахтерскуголь ежегодно до 70% подготовительных и до 30% очистных забоев эксплуатируется в условиях повышенных нагрузок от зон ПГД, следствием чего является большая протяженность выработок, находящихся в неудовлетворительном состоянии. При этом в деформируемых выработках подвергается деформированию пункты подземной маркшейдерской опорной сети, именуемой далее ПМОС.

В настоящее время актуальным вопросом является оценка надежности ПМОС, создаваемой в деформируемых горных выработках.

До сих пор не разработаны методические рекомендации по учету нарушенности пунктов ПМОС для обеспечения требуемой точности создания подземного планового обоснования.

В работах [3,4,5] предлагается для прогнозирования смещения маркшейдерских пунктов использовать методы математического моделирования. Методы математического моделирования дают возможность прогнозировать смещения маркшейдерских пунктов при различном взаимном положении подготовительной (капитальной) и очистной выработок. Эти методы целесообразно применять для прогноза качественной и количественной картин деформаций подземных маркшейдерских сетей в масштабах производственного объединения или целого геологопромышленного района с типовыми горно-геологическими условиями.

Проведенными исследованиями [3,4,5] установлено, что деформации подземных маркшейдерских сетей зависят от ряда горногеологических и горнотехнических факторов, которые можно разделить на 2-е группы. Первая группа - факторы, влияние которых практически невозможно уменьшить или исключить. К ним относятся глубина разработки, мощность разрабатываемого пласта, размеры и вид крепи выработки, исходное напряженное состояние массива горных пород. Вторая группа включает в себя ряд факторов, влияние которых может быть значительно уменьшено применением рациональной технологии закрепления маркшейдерских пунктов (угол падения пород, их прочность и трещиноватость, положение выработки относительно очистных пород).

Рациональная технология закрепления маркшейдерских пунктов предполагает научно обоснованный выбор выработок и места закрепления пунктов в выработке, конструкцию маркшейдерского центра. В условиях глубоких горизонтов шахт Донбасса рациональной конструкцией маркшейдерского центра следует считать центр анкерного типа, длина и способ которого зависят от устойчивости вмещающих пород.

Вопросы надежности ПМОС подымаются также Левченко И.А и Фабричным Н.Н. и в статье "Оценка надежности опорной маркшейдерской сети" [6].

Н.Н. Фабричный в своей кандидатской диссертации производил натурные исследования на шахтах производственных объединений Дзержинскуголь, Донецкуголь  и Лисичанскуголь и они показали, что наибольшим смещением пожвержены пункты, закрепленные в контурной зоне шириной до 0.6 м. Увеличение глубины закрепления до 1-1.5 м существенно повышает существенно повышает устойчивость пунктов. В условиях разработки крутопадающих пластов стабилизация смещений пунктов в надрабатываемых штреках наступает при удалении забоя надрабатывающей лавы на 1.3-1.4 величины междупластья. В условиях пологого залегания влияние надработки начинает проявляться за 100-200 м до подхода надрабатывающей лавы и заканчивается при удалении лавы на 40-80 м. В капитальных горных выработках влияние забоя самих выработок на устойчивость маркшейдерских пунктов становится несущественным при удалении забоя на 30-60 м прочных и 70-120 м слабых или разнопрочных породах.

Н.Н. Фабричный на основе анализа 127 повторных полигонометрических ходов показал, что векторы смещения маркшейдерских пунктов направлены вдоль оси выработки (вкрест простирания пород) в сторону падения слабопрочных пород. Отклонения от оси выработки не превышает 3-8°. В штреках (пластовых и полевых) векторы смещения направлены перпендикулярно оси выработки и чаще всего в сторону нетронутого массива горных пород. Абсолютные значения векторов смещения пунктов в зависимости от условий составляют 20-1000 мм. Влияние ошибок измерений на точность определения положения пунктов было оценено с помощью доверительных эллипсов погрешностей (доверительная вероятность p0=0.95). Сравнение величин векторов смещений и размеров полуосей доверительных эллипсов свидетельствуют о доминирующем влиянии геомеханических процессов на точность определения положения пунктов маркшейдерских сетей.

Н.Н.Фабричный и Н.А.Кравченко [7] на основании анализа состояния подземных маркшейдерских опорных сетей и результатов шахтных измерений определили, что срок службы постоянных маркшейдерских пунктов не превышает 2-3 года и их устойчивое положение в пространстве зависит от устойчивости горных выработок, в которых они закреплены.

Инженер E.Д. Жариков отмечал, что в горных выработках с податливой крепью, на глубоких горизонтах смещения пород контура составили более 300-400 мм (в некоторых случаях достигли 1000-1200 мм), а ширина зоны неупругих деформаций – 8-10 м. Как правило, на контуре образуется зона разрушенных пород шириной до 2-2,5 м. В подобных случаях и центр маркшейдерского пункта закрепляют в разрушенных породах контура, он смещается совместно с ними на значительную величину, что и определяет его неустойчивое положение в пространстве.

Это приводит к тому, что маркшейдерам приходится выполнять большой объем работ по проложению полигонометрических ходов для обновления опорных сетей, а в некоторых случаях и к повторному ориентированию подземных съемок.

С увеличением глубины горных работ, вмещающие породы вокруг выработки в значительной области переходят в предельное состояние, т.е. формируется зона неупругих деформаций. Размеры этой зоны зависят в первую очередь от глубины расположения, прочности вмещающих пород и типа крепи. При переходе в предельное состояние породы этой зоны, деформируясь и расширяясь в объеме, выдавливаются в выработку и обусловливают смещение пород на контуре сечения и нагрузку на крепь. Этот процесс продолжается в течение всего срока службы выработки с постепенным затуханием скоростей смещений.

При ведении горных работ на больших глубинах существенно усложняется поддержание выработок. Это приводит к резкому увеличению трудозатрат на восстановление первоначального сечения за счет подрывки почвы или перекрепления. В результате проявления геомеханических процессов в горных выработках нарушаются или даже уничтожаются пункты маркшейдерских опорных сетей.

Ученые и инженеры: Е.Д. Жариков, И.А. Левченко, Н.С. Котиков, Н.Н. Фабричный систематизировали данные о состоянии опорных сетей на основании информации по семи производственным объединениям (по 40 шахтам). Только на четырех шахтах опорные сети заложены в почве выработок.

Анализ их фактического состояния показал следующие. Большинство исследуемых опорных сетей заложены на глубинах 700-1000 м (55%), 12% - на глубинах более 1000 м.

Преобладающее влияние на устойчивость маркшейдерских сетей оказывают два фактора: глубина расположения выработки и наличие очистных работ на смежных пластах. Меньше всего устойчивы опорные сети на шахтах Центрального района. В данном районе даже на сравнительно малых глубинах (300-400 м) из-за влияния над- и подработки пункты опорных сетей служат не более двух лет. Относительно устойчивы пункты лишь в главных и промежуточных квершлагах в связи с отсутствием влияния на штреки очистных работ выше- и нижележащих пластов.

Как отмечают вышеуказанные исследователи «фактические смещения маркшейдерских пунктов на указанных шахтах составили от 10-50 мм вне зоны влияния очистных работ, до 200-1000 мм – при воздействии последних. Получение  информации о смещении пунктов в сложных условиях затруднено из-за частого перекрепления горных выработок и уничтожения маркшейдерских пунктов».

Проблемами охраны капитальных выработок от влияния очистных работ и сдвижениями в выработках в результате горного давления занимались и внесли большой вклад в науку многие ее деятели, такие как Г.Г. Литвинский, М.П. Зборщик, В.И. Черняев, Ю.М. Басинский, В.Ф. Водянов, В.М. Кулешов и многие другие. Этими проблемами занимался ВНИМИ, а в настоящее время УкрНИМИ.

В «Инструкции…» [2] говорится, что сдвинутые пункты опорной сети разрешается использовать для пополнения сети, если дирекционный угол начальной стороны прокладываемого хода определяют гироскопическим способом, а расстояние между последними сохранившимися пунктами изменилось не более чем на 15 см. Данный пункт «Инструкции…» не учитывает того обстоятельства, что группа пунктов опорной сети, находящихся в близких условиях, может быть подвержена параллельному сдвижению относительно их начального положения и маркшейдер может не обнаружить такой сдвиг, который может быть весьма значительным. Наибольшая вероятность такого смещения пунктов в зоне влияния очистных работ будет при сдвиге пунктов параллельно относительно оси подготовительной выработки, так как сдвижения в направлении перпендикулярном оси подготовительной выработки на порядок, а то и на два больше смешений вдоль ее направления. Величина такого смещения по данным наблюдений Н.Н. Фабричного на шахтах Донбасса составляет от 20 до 1000 мм.

Заключение