книги / Сдвижение горных пород и земной поверхности под влиянием подземной разработки

Рис. 1.1. Схема сдвижения горных пород при разработке пластовых месторождений, (по проф. Иофису М.А.).

30—40% от величины полуоси в подработанной толще. С увели­ чением угла падения пород величина полуоси в подработанной толще уменьшается, а в надработанной увеличивается. При угле падения 90° полуэллипсы в подработанной и надработанной толще становятся одинаковыми. Горные породы в зоне разгруз­ ки расширяются и смещаются в сторону выработанного про­ странства. По мере удаления от этого пространства степень рас­ ширения пород уменьшается. Расширение пород происходит как за счет упругого восстановления, так и за счет расслоения пород с образованием полостей зависания. При подработке явление расслоения и зависания пород играет важную роль в

общем процессе разуплотнения массива и поэтому весь процесс имеет явно выраженный дискретный характер. Наибольшая неравномерность деформаций наблюдается на контактах слоев разной прочности, особенно если слой, имеющий большую жесткость, залегает над легко прогибающимся или обрушающимся слоем. При надработке полости расслоения образуются сравнительно редко и преимущественно при больших углах падения пластов.

Область повышенного горного давления (ПГД) или, как часто ее называют, область опорного давления граничит с областью раз­ грузки и располагается над и под нетронутым массивом полезного ископаемого или над и под оставленным в нем целиком. На рис. 1.1. область ПГД заштрихована вертикальными линиями. В этой области нормальные к плоскости напластования напряже­ ния больше, чем в нетронутом массиве. Параметры области опор­ ного давления зависят от глубины горных работ, физико-механи­ ческих свойств пород, мощности и угла падения пласта, размеров и конфигурации выработанного пространства и ряда других факто­ ров. Ширина области опорного давления в плоскости пласта по данным наблюдений колеблется обычно в пределах от 0,1 до 0,3 Н (где Н —глубина горных работ). Большой диапазон изменения этой ширины объясняется не только чувствительностью ее к ряду влияющих факторов, но и различием методов ее определения и условностью критериев, по которым устанавливается граница области опорного давления. За границу области опорного давле­ ния, как правило, принимают точки, в которых горное давление равно начальной величине, например уН (где у объемный вес нале­ гающих пород), или отклоняются от этой величины не более, чем на 5 %. Часто область опорного давления определяют по ее про­ явлению в подготовительных и капитальных выработках, попа­ дающих в зону влияния очистных работ. Поскольку жесткость кре­ пей в этих выработках различная, степень влияния опорного давления в них проявляется по-разному. Поэтому из общей обла­ сти иногда выделяют область вредного влияния, которая определя­ ется с учетом жесткости крепи и условий эксплуатации выработки.

Во многих инженерных расчетах ширину области опорного давления Lop связывают с величиной граничного угла. Так, при определении ее размеров в условиях горизонтального залегания пластов пользуются выражением:

Zop=H-Ctgb0,

(1.1)

где 50 — граничный угол, значения которого приводятся в действующих «Правилах охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях.»

Согласно этому выражению ширина области опорного давления при постоянном значении граничного угла находится в линейной зависимости от глубины горных работ. Такое допуще­ ние справедливо только при небольшом диапазоне изменения глубин. В общем случае эта зависимость не линейна.

Опорное давление распространяется в породы кровли и почвы пласта. Вниз оно распространяется на расстояние, рав­ ное, примерно, ширине области опорного давления в плоскости пласта, а вверх — на высоту, превышающую это расстояние в 1,2—1,5 раза. Проявление опорного давления наблюдалось в породах кровли на расстоянии 170 м от пласта и в породах почвы —110 м. При наличии целиков в выработанном пространстве эти расстояния существенно увеличиваются и достигают 250 м в породах кровли и 150 м в породах почвы.

Область полных сдвижений характеризуется перемещением слоев параллельно своему первоначальному положению. Векто­ ры сдвижения в этой области направлены по нормали к напла­ стованию и имеют наибольшие для данных условий (мощности и угла падения пласта, способа управления горным давлением и т.д.) значения. Слои горных пород после окончания процесса сдвижения получают опору на почве вынимаемого пласта. Область полных сдвижений располагается над выработанным пространством и оконтуривается на вертикальном разрезе вкрест простирания пластов (рис. 1.1.) линиями, проведенными от границ выработанного пространства под углами полных сдви­

жений \|/j и \|/2, а на разрезе по простиранию - углом \|/3. Углы полных сдвижений зависят от углов падения пластов и от того, в каком месте находится рассматриваемая очистная выработка по отношению к старым горным работам. Если прежние работы вели ниже (по падению) действующей очистной выработки, то

угол \|/j становится круче, а угол у 2 - положе, чем при первичной подработке. И наоборот, если их вели выше (по восстанию), угол vpj выполаживается, а угол у 2 становится круче.

При симметричном расположении старых работ относи­ тельно рассматриваемой выработки и при первичной подработ­ ке толщи угол у , равен примерно углу \р3, а угол Vi = У з+ 0>3 а . В общем виде формулы для определения углов у , и \р2 можно записать как:

щ = щ ± С у^а;	( 1.2)
\K2=Y3± ^V2 ' <X’	(1.3)

где су1 и с^2 —коэффициенты, определяемые опы тным путем (обычно cvl =0,2н-0,3; су2 = 0,3-ь0,5).

В первой зоне, расположенной непосредственно над очист­ ной выработкой, породы наиболее деформированы и разделены на отдельные куски и мелкие блоки. Она обычно носит название зоны обрушения.

Проф. Г. Н. Кузнецов разделял зону обрушения на две части: беспорядочного обрушения (нижнюю) и относительно упорядо­ ченного расположения обломившихся блоков (верхнюю). Сум- *у”'ные мощное'”” ” ачек слоев кровли, образующих нижнюю

и верхнюю	части обрушения, он предлагал определять
1	/+1
из выражений:
	т~(Кн - 1 ) £ л <(2,0-ь2,5)/^-+1;		(1.4)
		1
	« - ( ^ я - 1 ) Ь - ( ^ б - 1 ) Е Л < ^ +1,		(1.5)
	1	/+1

где Кн я Кв - коэффициенты разрыхления пород соответ­ ственно в нижней и верхней частях зоны обрушения.

Недостатком приведенных формул является трудность определения коэффициентов разрыхления, что ограничивает возможность их применения. В практике горного дела высоту зоны обрушения принимают обычно равной {ЪЩт.

Вторая зона, прилегающая к зоне обрушения, характеризу­ ется развитием в прогибающихся слоях нормально секущих трещин и трещин расслоения, разбивающих массив на крупные блоки и образующих систему сквозных водо- и газопроводящих каналов с малым аэродинамическим сопротивлением, практи­ чески не оказывающим влияния на прохождение по каналам растворов и газов. Эту зону целесообразно называть

зоной разломов.

Втретьей зоне секущие трещины, идущие от верхней и нижней поверхности изгибающегося слоя, достигают трещины расслоения и создают систему водо- и газопроводящих трещин со значительным аэродинамическим сопротивлением, которое растет пропорционально удалению их от разрабатываемого пла­ ста. Третью зону можно назвать зоной активных трещин.

Вчетвертой зоне деформации растяжения, вызванные изги­ бом слоя, достигают критических значений в волокнах, приле­ гающих к верхней и нижней поверхностям слоя. Чем ближе слой расположен к горным работам, тем глубже распространяются в нем критические деформации и тем большее число волокон рвется. Одновременно под влиянием касательных напряжений, вызываемых изгибом слоя, в нем появляются деформации сдви­ га и зарождаются трещины расслоения. Но поскольку протяжен­ ность этих трещин и глубина секущих трещин в четвертой зоне невелики, сквозной водо- и газопроводящей системы трещин в этой зоне не образуется. Четвертой.зоне подходит название зоны

локальных трещин.

Пятая зона характеризуется прогибом пород практически без разрыва их оплошности. Ей соответствует название зоны

плавного прогиба.

Шестая и седьмая зоны находятся в области повышенного горного давления. При этом в шестой зоне преобладают упругие деформации, в седьмой - неупругие (необратимые). Ш естая зона обычно называется зоной опорного давления, так как для ее описания используются те же характеристики, что и для области опорного давления. Седьмую зону условно называют зоной пре­ дельно-напряженного состояния, хотя деформации у обнажения являются, как правило, запредельными. В этой зоне материал проходит все стадии деформирования — от значительного все­ стороннего сжатия на границе с зоной упругих деформаций до сильного разрыхления вблизи от обнажения, при этом основные необратимые деформации происходят по природным системам трещин, что сопровождается подвижками по поверхностям структурных элементов. В меньшей степени и преимущественно непосредственно у забоя происходит рост и раскрытие трещин, параллельных обнаженной поверхности.

Перечисленные зоны (за исключением седьмой) находятся в подработанной толще пород. Седьмая зона распространяется как на подработанную, так и на надработанную толщу, но в основном она проявляется в самом разрабатываемом пласте. В надработанной толще имеется пять зон (зона обрушения отсут­ ствует), при этом зоны девять, десять, одиннадцать, двенадцать и восемь по своим качественным характеристикам соответствуют зонам два, три, четыре, пять и шесть подработанной толщи, но все зоны, образующиеся в надработанной толще, расположены ближе к разрабатываемому пласту, чем в подработанной.

В прилегающем к земной поверхности слое (или пачке слоев, деформирующихся как одно целое) в результате изгиба образуются зоны растяжения и зоны сжатия, при этом зоны растяжения изолированы друг от друга, а зоны сжатия практиче­ ски сливаются. Зона 13 характеризуется максимальным растяже­ нием верхних волокон изгибающегося слоя (пачки слоев) и постепенным затуханием растяжений от верхних волокон к нижним, зона 14, наоборот, - максимальным растяжением нижних волокон этого слоя (пачки слоев) и постепенным затуха­

нием растяжений от нижних волокон к верхним. В зоне 15 про­ исходит сжатие слоя (пачки слоев). Эта зона включает практиче­ ски сливающиеся участки, в которых вследствие изгиба возника­ ет сжатие вдоль слоя (пачки слоев). Степень затухания сжатий здесь так же, как и в зонах растяжений, уменьшается от поверх­ ности слоя (пачки слоев) в глубь его.

При определенных углах падения пород происходит сполза­ ние слоев (преимущественно по плоскостям напластования) и в толще появляется зона 16, располагающаяся преимущественно в висячем боку разрабатываемого пласта. В условиях крутого (реже наклонного) залегания слоев эта зона распространяется и в сто­ рону лежачего бока указанного пласта.

В зависимости от условий разработки, способов управления кровлей и других влияющих факторов, число и местоположение зон может отличаться от приведенной выше схемы. Так, при закладке выработанного пространства или при управлении кро­ влей способом плавного опускания зона обрушений, как прави­ ло, отсутствует и непосредственно над выработанным простран­ ством располагаются зоны разломов или трещин. При малой вынимаемой мощности пласта и в пластичных вмещающих породах могут отсутствовать также и зона разломов и зоны тре­ щин. В тех случаях, когда над пластичными слоями залегают хрупкие породы, зоны трещин могут получить развитие и над зоной плавного прогиба.

Состояние зданий, сооружений, горных выработок и при­ родных объектов, а также степень дегазации угольных пластов определяется тем, в какую зону деформирования они попадают. Изменением порядка ведения горных работ, способа управления горным давлением, размеров и взаимоположения очистных выработок, вынимаемой мощности пласта, скорости подвигания очистного забоя и других параметров горных работ можно регу­ лировать развитие деформационных и дегазационных процессов и местоположение зон деформирования. Это особенно важно при подработке водных объектов, в том числе подземных водо­ носных горизонтов и затопленных выработок, поскольку оттого.

вкакую зону попадает водный объект, полностью зависит исход его подработки. Так, при попадании водного объекта в 1 и 2 зоны происходит катастрофический прорыв воды с полным затопле­ нием горных выработок. Если водный объект попадает в 3 зону, то происходит интенсивное увеличение притока воды в горные выработки, при этом степень интенсивности притока находится

вобратной зависимости от соотношения М/т , где М —расстоя­ ние от кровли выработки до почвы водного объекта. В случае попадания водного объекта в 4 зону существенного увеличения притока воды в горные выработки, как правило, не происходит. Небольшой дополнительный приток наблюдается иногда из-за повышения водопроницаемости массива за счет разуплотнения горных пород. Из водных объектов, расположенных в 5 зоне, вода в горные выработки не поступает.

Контрольные вопросы 1.Что понимают под сдвижением горных пород и земной

поверхности?

2.Какое влияние оказывает сдвижение горных пород на тех­ нологию разработки полезных ископаемых?

3.Цель и задачи изучения процесса сдвижения горных пород и земной поверхности?

4.Перечислите основные формы сдвижения горных пород при подземной разработке.

5.Какие образуются области в деформирующемся породном массиве?

6.Перечислите зоны с различной степенью деформирова­ ния породных слоев, формирующиеся в массиве под влия­ нием горных работ.

1.3.Смещения и деформации в главных сечениях мульды сдвижения.

Инструментальные наблюдения показали, что сдвижение точек земной поверхности происходит по сложным криволиней­ ным траекториям. Векторы сдвижений, их горизонтальные и вертикальные составляющие для разных точек земной поверхно­

сти по своим величинам, а часто и по направлению, различны. Вектор смещения точки мульды сдвижения разлагается на три составляющие: вертикальную (оседание) ц, горизонтальную (горизонтальное сдвижение) %и перпендикулярную к плоскости сечения ^.Последняя составляющая из-за своей незначительной величины в главных сечениях мульды на практике почти не используется.

Таким образом, основными показателями, характеризую­ щая процесс смещения точек земной поверхности в мульде сдви­ жения, являются оседания и горизонтальные сдвижения.

Неравномерности смещения соседних точек вызывают вер­ тикальные (наклоны, кривизна) и горизонтальные (сжатия, растяжения) деформации участков земной поверхности в мульде сдвижения.

На рис. 1. 2 точки 1, 2, 3 - положение реперов на земной поверхности до подработки; Г , 2', У - положение тех же реперов после подработки; г|19 г\2, л3 - оседания соответствующих репе­ ров; А-2> ^2-3 —горизонтальные расстояния между реперами до подработки; Ç2, £,3 — горизонтальные сдвижения соответс­ твующих реперов.

Рис. 1. 2. Схема к вычислению деформаций

Наклон интервала поверхности вычисляется как отношение разности оседаний двух соседних точек мульды к первоначаль­ ному расстоянию между ними, (безразмерная, 10‘3):

• V ^ i

( 1.6)

Получаемое значение наклона является средним значением для интервала и относится к его середине. Наклон характеризу­ ется еще как первая производная функции оседаний rj = f(x). Наклоны в направлениях восстания и простирания пласта при­ нимаются положительными, а в обратных направлениях —отри­ цательными.

Неравномерность наклонов соседних участков мульды сдви­ жения приводит к образованию кривизны. Кривизна определяет­ ся как отношение разности наклонов двух соседних интервалов мульды к полусумме первоначальных длин этих интервалов (10‘31/м).

Средняя кривизна на границе интервалов 1—2 и 2—3 опреде­ ляется из выражения

*2-3—*1-2	1 -1 Q —3	(1.7)
-^ 1-2 -3 =	М
|(^1-2+^2-3)

и относится к точке 2. Кривизна является первой производ­ ной функции наклонов di/dx или второй производной ф унк­ ции оседаний d2r\/dx2.

Радиус кривизны R является величиной, обратной кривизне: R = 1/К (м или км). На участках мульды с выпуклостью, обра­ щенной вверх, кривизна и радиус кривизны считаются положи­ тельными, а на участках с выпуклостью, обращенной вниз, — отрицательными.

Неравномерные горизонтальные смешения точек мульды сдвижения приводят к возникновению горизонтальных дефор­ маций сжатия или растяжения (см. рис. 1.2). Величина горизон­ тальных деформаций s на участке мульды ^i_2 > определяется