ний сдвижения (крепление горных выработок, оставление целиков, закладка выработанного пространства и др.).
Как видно, геологический процесс сдвижения горных пород и деформаций поверхности земли на подрабатываемых территориях сложный и зависит от многих причин и условий. Он нередко захватывает значительные к даже огромные объемы горных пород, достигает поверхности земли при глубине разработки полезного ископаемого до 900 м и более (Донбасс, шахта «Кочегарка»), Тем не менее многолетние исследования этих
явлений до настоящего времени состояли главным |
образом |
||
в |
наблюдениях |
за деформациями сдвижения, их измерениях, |
|
в |
установлении |
различных эмпирических зависимостей |
разви- |
тия процесса и в разработке методов предупреждения и управления этими явлениями. Инженерно-геологических исследований сдвижения горных пород на подрабатываемых территориях, как отмечено выше, почти не выполнялось. Рассмотрим сущность их развития по имеющимся материалам.
Сдвижение слоистых толщ горных пород обычно начинается с их прогибания в кровле горных выработок. По мере увеличения площади выработанного пространства, особенно при близком взаимном расположении выработок на разных горизонтах,
прогиб слоев пород увеличивается, в |
сдвижение вовлекается |
|||
все большее число слоев, пачек |
слоев, |
свит н' толщ, происхо- |
||
дит сдвиг пород по наклонным |
поверхностям |
напластования |
||
(ослабления). При этом в зоне, |
непосредственно |
прилегающей |
||
к кровле горных выработок, с расслоением н опусканием |
пород |
|||
повышается их раздробленность |
и они |
обрушаются. Этот |
про- |
|
цесс оседания и сдвижения горных пород, прогрессируя, достигает поверхности земли, вызывает ее деформации и формирование мульды сдвижения.
На рис. VI-15 показана схема оседания и сдвижения под-
работанных толщ |
пород, залегающих горизонтально, наклонно |
и крутонаклонно, |
а на рис. V1-I6 видно, что в рассматриваемой |
области или зоне влияния горной выработки намечаются четыре
подзоны в подработанной слоистой толще |
пород |
(1—IV) |
и две |
|
в надработанной |
(V и VI). Особенности |
деформаций |
горных |
|
пород в этих подзонах состоят в следующем. |
|
|
||
I подзона обрушения расположена непосредственно над гор- |
||||
ной выработкой; |
горные породы в ней наиболее |
раздроблены |
||
и легко обрушаются. Г. Н. Кузнецов 11950 г., 1954 г.] эту подзону делит на две части: нижнюю — беспорядочного обрушения и верхнюю — относительно упорядоченного расположения блоков пород. На угольных месторождениях с горизонтальным или пологим залеганием пластов и при разработке их с обрушением кровли отношение высоты зоны обрушения к мощности вынутого пласта ш, как правило, не превышает 5, т. е. /гобр/'«<5. Исследованиями ВНИМИ установлено, что если расстояние от
выработанного пространства до поверхности земли менее |
12 т , |
то зона обрушения пород достигает поверхности земли |
и на |
2 0 2
Рис. V M S . Схемы оседания |
и сдвижения |
подработанных толщ |
пород, за- |
легающих горизонтально |
(а), наклонно |
(б) и крутонаклонно |
(б). |
ней образуются провалы, воронкн н происходят другие деформации. При крутом залегании пород провалы на поверхности
земли образуются и при большей глубине |
разработки. |
|||
II подзона развития относительно большого числа открытых |
||||
трещин; она характеризуется |
появлением |
в прогибающихся |
||
слоях |
водопроводящих |
трещин |
по нормали |
к слоям (секущих) |
и ко |
напластованию. |
Высота |
этой зоны трещин, как показы- |
|
2 0 3
Рис. VI-16. Подзоны в зоне влияния горной выработки при подработке территорий.
Подзоны: / — обрушения, |
/ / — развития |
открытых трещин, |
/ / / — п л а в н о г о прогибания, |
||||||
/ t ' — о п о р н о г о давления в |
псдраСотаиной |
толще, |
V — разгрузки, |
F / — опорного давления |
|||||
|
|
|
в иадработанноА |
толще. |
|
|
|
||
203 |
многочисленные |
наблюдения, |
в |
20—50 |
раз |
больше вы- |
|||
вают |
|||||||||
соты |
выработанного |
пространства |
т., |
т. |
е. |
равна |
( 2 0 ^ 5 0 ) т . |
||
В результате горные породы здесь оказываются разбитыми на более крупные блоки и деформация их происходит в форме взаимосвязанного смещения (сдвига) в сторону выработанного пространства по поверхностям напластования, особенно при наклонном и крутом залегании пластов.
1И подзона плавного прогибания горных пород; постепенно она может достигнуть поверхности земли. В этой подзоне также появляются трещины и разрывы, особенно близ поверхности земли вдоль границы мульды сдвижения. Трещины на поверх-
ности земли нередко наблюдаются |
при отношении высоты |
(мощ- |
|
ности) зоны трещин (зоны |
I и II) |
к мощности вынутого |
пласта^ |
не превышающем 100. При |
наличии в толще пород, залегаю- |
||
щей выше полезного ископаемого, поверхностей ослабления
(прослойки слабых пород, разрывные нарушения |
и др.) трещины |
и уступы встречаются, когда это отношение |
превышает 100 |
(данные исследований ВНИМИ).
IV подзона опорного давления в подработанной толще пород; характеризуется повышенной напряженностью по сравнению с породами, залегающими вне зоны влияния горной выработки. Горные породы в этой подзоне деформируются главным образом в вертикальном направлении.
V подзона разгрузки; расположена под выработанным пространством. В ней наблюдаются деформации растяжения, происходящие под влиянием сил, действующих снизу вверх, и выдавливания пород из-под зоны опорного давления.
VI подзона опорного давления в надработанном пространстве; характеризуется теми же явлениями, что и подзона IV.
Такова характеристика состояния горных пород в области их сдвижения по современным представлениям. Естественно, что границы каждой подзоны, как и всей области сдвижения, могут существенно изменяться в зависимости от инженерно-геоло- гических и горнотехнических условий ее формирования. При прочих равных условиях процесс сдвижения в слоистых и сланцеватых породах протекает более плавно, чем в неслоистых, и характеризуется более пологими граничными углами и углами сдвижения. В слоистых породах с увеличением глубины расположения горных выработок происходит увеличение зоны плавных сдвижений в краевых частях мульды сдвижения.
На разнообразных эндогенных, собственно магматических и других месторождениях, сложенных неслоистыми породами, поверхностями ослабления являются плоскости разрывов и трещин, различно ориентированных в пространстве, расчленяющих горные породы на структурные блоки и отдельности. При развитии процесса сдвижения в неслоистых породах масса блоков и отдельностей, преодолевая силы внутреннего трения и сцепления по поверхностям и зонам разрывов и трещин, приходит в движение в сторону выработанного пространства и движется часто неравномерно, как бы скачками. В этих условиях граница мульды сдвижения на поверхности земли обозначается трещинами более резко. Граничные углы и углы
сдвижения определяются углами |
падения разрывов и трещин |
и, как правило, более крутые, чем |
в слоистых породах. |
Мульды сдвижения на месторождениях с неслоистыми породами по сравнению со слоистыми при прочих равных условиях имеют более ограниченные площади и обычно большую глубину. Часто они приобретают форму правильной или не-
правильной воронки, поверхность склонов которой имеет |
ус- |
||||
тупы и провалы |
(рис. VI-17). Если |
в слоистой толще встреча- |
|||
ются слои плотных и прочных пород |
(песчаников, алевролитов, |
||||
конгломератов, |
известняков и |
др.), |
сдвижение |
ослабевает, |
и |
тем значительнее, чем больше |
мощность таких |
слоев, их число |
|||
ивыше прочность пород.
Сувеличением крутизны падения пластов пород положе становятся граничные углы Ро, углы р и 9, возрастает отношение деформаций сдвига к деформациям оседания (рис. VI-18). Так, при горизонтальном и пологом залегании горных пород горизонтальная составляющая сдвижения обычно не превышает половины вертикальной; при угле их падения 45'^ они примерно равны, а при падении под углом бЗ'' горизонтальная составляющая в два раза больше вертикальной при прочих равных условиях. В общем при горизонтальном и пологом залегании пород основной формой их деформации при подработке является прогибание в сторону выработанного пространства. При наклонном и крутом залегании наряду с прогибанием происходит сдвижение (оползание) толщ пород по поверхностям ослабления не только в висячем, ио и в лежачем боках вырабо-
2 0 5
Рис. VI-17. Строение мульды сдвижешш в неслоистых |
породах, |
|
/—поверхность земли до подработки территоряи; 2 — т о |
же, после |
подработки; 5 - |
нвклонные поверхности мульды сдвцженкя с уступами и |
разрывами; |
провал; |
отраСотанная часть рудиого тела. |
|
|
Рис. VI-18. Векторы смещения точек поверхности земли при формировании мульды сдвижения.
об — Г0рн50нтальиая составляющая сдвижений: йс —вертикальная составляющая сдвижения (оседания).
тайного пласта. В результате этого на поверхности земли образуются трещины и уступы при выполнении горных работ даже на значительных глубинах. В Донецком бассейне такие явления наблюдаются при разработке углей на глубине 600 м и более. В зависимости от крутизны падения пластов пород изменяются значения и граничного угла уо.
В зависимости от условий залегания пород изменяется и форма мульды сдвижения. При горизонтальном и пологом залегании она более или менее симметрична; с увеличением углов падения пластов симметричность ее нарушается. При складчатом залегании пород сдвижение зависит от формы и размеров складок. Если в зоне влияния горных выработок складки мелкие, они могут полностью смещаться в сторону вы-
206
Рис. VI-19. Пример зависимости гран]!чных уг-
лов от ориентировки гос-
подствующих систем тре-
щин на одном из руд-
ных месторождений (по
М. А, Ку»нецову и др.).
Х Х Х Х Ш д Х - ^
работанного пространства. Когда мульда сдвижения соизмерима с синклинальной складкой и располагается в ее пределах, процесс сдвижения развивается и замыкается, как правило, внутри этой складки. Если размеры синклинальной складки в плане значительно превышают размеры мульды сдвижения, процесс сдвижения развивается также внутри этой складки, но может иметь разный характер в зависимости от положения выработанного пространства. Обычно наблюдается увеличение оседания и деформаций горных пород в местах выхода на поверхность осевых плоскостей синклинальных складок, что объясняется ослаблением пород в зоне осевой плоскости [Казаковский Д. А., 1953 г.]. Нет определенных данных о закономер-
ностях |
развития процесса сдвижения |
и |
формирования |
мульды |
||||||
cдвил^eния |
на |
участках |
антиклинальных |
структур, |
но |
их |
много |
|||
о влиянии |
тектонических нарушений — разрывов |
и трещинова- |
||||||||
тости |
|
пород. |
|
|
|
|
|
|
|
|
На |
месторождениях, |
расчлененных |
|
тектоническими |
разры- |
|||||
вами, |
|
положение и значения граничных углов, углов сдвиже- |
||||||||
ния, |
развитие |
процесса |
сдвижения |
и |
в значительной |
мере |
||||
форма |
мульды сдвижения определяются положением плоско- |
|||||||||
стей |
этих |
разрывов. В зонах выхода |
тектонических нарушений |
|||||||
наблюдаются наибольшие оседание и смещение пород. Мульда сдвижения асимметрична. Подобных примеров известно много, и все они указывают на то, что по тектоническим нарушениям обычно образуются зоны и поверхности ослабления в подработанных массах горных пород, наиболее легко происходят их значительные оседание и сдвижение. Граничные углы при этом могут иметь разные значения в зависимости от ориентировки тектонических нарушений и прочности пород по поверх-
ностям и зонам ослабления. |
|
|
Такое же влияние на развитие |
явлений сдвижения оказы- |
|
вают |
и системы трещин, особенно |
крутопадающих. На рис. |
VI-19 |
приведен пример этого на одном из рудных месторожде- |
|
ний. Здесь значения и ориентировка граничных углов, как и
углов сдвижения, определяются |
системами |
тектонических |
трещин. Обычно в сильнотрещиноватых породах |
эти углы на |
|
5° меньше, чем в породах средне- и |
слаботрещиноватых. |
|
207
Как было отмечено, на развитие процесса сдвижения горных пород на подработанных участках существенно влияют их физико-механические свойства, и в частности прочность. Особенно это проявляется в резком различии углов сдвижения в разных группах горных пород. В рыхлых и мягких породах четвертичного возраста эти углы всегда значительно положе, чем в полускальных и особенно в скальных породах, однако строгой количественной зависимости пока не установлено. Поэтому для обобщенной характеристики свойств горных пород в большинстве случаев используют коэффициент крепости, который характеризует сопротивление горных пород разработке и их прочность. Инструментальными наблюдениями установлено [Казаковский Д. А,, 1953 г.], что углы сдвижения пород в значительной степени соответствуют определенным значениям их коэффициента крепости. С увеличением этого коэффициента увеличиваются углы б, р и 7, Угол б практически не зависит от угла падения пород, а зависит главным образом от их
физнко-механнческих свойств. Значения |
углов |
р и y суще- |
||
ственно |
зависят |
от углов падения пород, |
и их |
взаимосвязь |
с крепостью пород более сложная. |
|
|
||
Если |
полезное |
ископаемое залегает на |
небольшой глубине |
|
в плотных и прочных породах, углы сдвижения будут круче и зона влияния подземных выработок на поверхности земли будет меньше. С увеличением глубины залегания полезного ископаемого мульда сдвижения становится более пологой, а деформации пород уменьшаются. С увеличением мощности слабых пород во вскрыше месторождения и уменьшением глубины залегания полезного ископаемого углы сдвижения выполаживаются, мульда сдвижения увеличивается, а на поверхности земли в районе ее развития образуются разрывы, террасы, провалы и другие опасные деформации пород. Особенно большое влияние на развитие таких явлений оказывают обводненность
пород, наличие |
плывунов, а в мерзлых породах — их оттаива- |
ние, деградация |
мерзлоты. |
При развитии процессов сдвижения горных пород на подрабатываемых территориях для характеристики и оценки деформаций поверхности земли и расположенных здесь сооружений важным показателем является наибольшее ее оседание От него зависят другие показатели, характеризующие явления сдвижения горных пород: наклон кривой оседания, радиус мульды сдвижения, горизонтальные деформации поверхности земли и горных пород. Многочисленные наблюдения на шахтах и рудниках показывают, что оседание зависит от многих факторов, и в первую очередь от геологического строения шахтного и рудного полей, физико-механических свойств слагающих их горных пород, глубины расположения горных выработок, мощности отрабатываемого пласта или размеров рудного тела, степени нарушенности пород горными выработ-
ками и от способа управления кровлей.
208
тэг.
\/trvm
Рис. Vl-20. Развитие мульды оседания поверхности земли во времени на калийных месторождениях (по М. П. Нестерову и А. В. Львову).
Месторождения: а — Старобянское, |
6 — Калуш-Голынское; в — Верхнекамское; г — уг- |
лей в Донбассе; горизонтальные |
двойные линии — горизонты горных выработок. |
На рис. VI-20 приведены примеры развития мульды сдвижения на поверхности земли во времени на Старобинском (Белорусская ССР), Калуш-Голынском (Укранкская ССР) и
Верхнекамском |
(Пермская область) калийных |
месторождениях |
в сравнении с |
ее оседанием при отработке |
угольного пласта |
на одном из месторождений в Донбассе. Сравнение данных инструментальных наблюдений показывает, что процесс развн-
299
тия сдвижения поверхности земли на калийных и угольных месторождениях сходен, но скорость его на первых меньше. Это в определенной мере связано с тем, что соли обладают свойством ползучести, деформируются медленнее и имеют пла-
стический характер разрушения, тогда |
как |
угленосные |
толщи — хрупкопластический. Определенное |
влияние при этом |
|
оказывают и разные системы разработг{и соляных и угольных месторождений.
Оседание поверхности земли на участках, сложенных породами плотными, прочными и крепкими, при прочих равных условиях меньше, чем на участках, сложенных слабыми породами. Это связано с тем, что слабые породы обладают меньшей жесткостью, большей пластичностью и ползучестью и прогибаются больше, а при наклонном и крутом их залегании легче сползают, сдвигаются по поверхностям ослабления в сторону выработанного пространства.
На угольных и сланцевых месторождениях с пологим залеганием пород при производстве горных работ на малых глуби-
нах наибольшее оседание, например в Челябинском |
бассейне, |
|||
составляло |
(0,8-ь0,9)т, |
т. е. почти равно мощности |
разраба- |
|
тываемого пласта. В Кузнецком и Карагандинском |
бассейнах |
|||
оно равно |
0,75 т, в Донбассе 0,5 |
т, в Кизеловском |
бассейне |
|
в среднем |
(0,3-^-0,4)/п. |
С увеличением размеров выработан- |
||
ного пространства, как |
правило, |
увеличиваются прогибание |
||
горных пород и глубина |
оседания |
поверхности земли. То же |
||
самое наблюдается и при увеличении углов падения пород, так как при этом легче развиваются явления их сдвижения.
Существенное влияние на увеличение оседания поверхности земли оказывает уменьшение глубины расположения горных выработок, увеличение их размеров и степень нарушения ими состояния и условий залегания горных пород. Наконец, частичная или полная закладка выработанного пространства и ха-
рактер самой закладки |
также влияют на оседание |
поверхно- |
сти земли. |
|
|
Все перечисленное показывает, что зависимость оседания |
||
поверхности земли на |
подрабатываемых территориях |
от мно- |
гих факторов затрудняет оценку и прогноз этого явления. Поэтому и его природа недостаточно изучена, что обусловливает необходимость при его оценке и прогнозе использовать срав- нительно-геологический анализ и средние значения, полученные из фактических наблюдений, или различные эмпирические зависимости, выявленные по данным этих наблюдений. Так, например, для оценки наибольшего оседания поверхности земли известностью пользуется выражение
am
По^
a + ^/н
где т — мощность пласта, м; Я — глубина разработки, м; а — коэффициент, равный от 22 до 25.
гю
Как видим, это выражение не учитывает геологических ус-
ловий, физико-механических свойств горных |
пород, |
размеров |
||
выработанного пространства. |
|
|
|
|
В связи с тем что с увеличением глубины разработок опас- |
||||
ность деформаций земной поверхности уменьшается, |
глубину |
|||
безопасной разработки часто |
определяют |
из |
выражения |
|
Я б = Кб^п, |
|
|
|
|
где Яб — безопасная глубина |
разработки; |
Кб — коэффициент |
||
безопасности; т — мощность |
разрабатываемого пласта, и. |
|||
Так как глубина оседания поверхности земли при ее подра- |
||||
ботке не всегда строго пропорциональна |
мощности пласта т, |
|||
Д. А. Казаковский считает, что это выражение может служить только приближенным приемом для определения глубины безопасных разработок. Он также считает, что более правильно безопасную глубину разработок определять из выражения
Нб— КбЦо'
В этом случае величина tie принимается по данным фактических наблюдений. Последние показывают, что если глубина разработки увеличивается, а размеры выработанного пространства остаются постоянными, или когда отношение HjL {L — размер выработки) увеличивается, деформации земной поверхности уменьшаются. Для каждого месторождения существуют определенные значения отношения HjL, когда деформации земной поверхности не имеют практического значения, т. е. не превышают безопасных величин. Такая закономерность является общей как для угольных, так и для рудных месторождений.
Увеличение выработанного пространства (длины или ширины очистной выработки) обычно вызывает увеличение оседания поверхностк земли только до полной подработки территории. Дальнейшее увеличение размеров выработанного пространства приводит к расширению дна мульды сдвижения, т. е. участка наибольшего оседания поверхности земли. В Кузнецком бассейне по наблюдениям ВНИМИ установлено, что при пологом
залегании |
пород полная подработка |
наступает при длине (или |
ширине) |
выработки, равной 1,7Н, |
где Н — средняя глубина |
производства горных работ. В большинстве случаев ширина одиночной выработки недостаточна для полной подработки территорий. Поэтому на различных месторождениях полезных ископаемых фактическое оседание поверхности земли меньше, чем долншо бы быть при полной подработке территорий. Для
оценки такого положения используют коэффициент |
подра- |
||
ботки, т. е, |
отношение |
фактической ширины выработки к такой |
|
ее ширине, |
при которой |
наступает полная подработка |
террито- |
рии или толщи пород
^лодр — |
акт |
L ПОЛИ.подр |
211