Kniga2

Рисунок 4.22. Характер изменения во времени очертания откоса сползающих в устье ствола наносов.

Если обозначить угол сдвига через φсд, а угол внутреннего трения – φ, то для сыпучих наносов (например, песка) в сухом состоянии удельная сила сцепления равна нулю, а tg φсд= tgφ.

Но в грунтах, обладающих сцеплением, величина угла наклона к горизонту естественного откоса наносов, как правило, превышает угол трения φ в зависимости от высоты откоса наносов. При этом угол наклона у верхнего края естественного откоса наносов, обладающих сцеплением, будет близок к прямому (φсд ≈ 90º), но чем ниже, тем угол φсд будет меньше, приближаясь к величине угла трения - φ (рис. 4.22).

Однако в связи с означенной выше неопределенностью, реально большой высотой наносов – до 60 м, сравнительно небольшим различием углов сдвижения пород и углов естественного откоса (3-8о) (табл. 4.5), приближением со временем и под влиянием обводнения величины угла обрушения (сдвижения) кратера к величине угла естественного откоса правомерно в дельнейших расчетах пользоваться последним. Это пойдет в запас надежности определения величины опасной зоны вокруг ликвидированного ствола и давления наносов на крепь устья ствола.

	Характеристики наносов			Таблица 4.5.
Состав и состояние	Удельный вес,	Угол естествен-	Угол сдвиже-	Коэффициент
наносов	кН/м3	ного откоса, φ,	ния, φсд, град	разрыхления, Кр
		град*

* В конкретных условиях принимается средневзвешенное значение угла естественного откоса конкретного вида наносов в пределах их высоты

112

	глина	сухая	16,5	40	45	1,40
		влажная	17	30	36	1,30
		мокрая	18	20	28	1,20
	песок	сухой	14	25	26	1,20
		влажный	15	35	42	1,10
		мокрый	16	29	36	1,05
	земля	сухая	15	40	43	1,30
		влажная	17	33	36	1,20
	суглинок	сухой	18	27	30	1,30
		мокрый	19	45	46	1,20
		влажный	18,5	37	38	1,25

Максимальный (критический) диаметр опасной зоны в этом случае

	может быть определен по формуле
	Dкр.max =	2h н	+	DC , м,	(4.30)
		tgϕ

где hн – высота наносов, м; φ - угол естественного откоса (средневзвешенный) пород наносов, град.; Dc – диаметр ствола, м.

Исследование степени влияния факторов, в пределах реального изменения их параметров, на размеры опасной зоны показало, что наибольшее влияние оказывают: высота (мощность) наносов (увеличение мощности наносов на 1м дает добавку 9 м опасной зоны), угол естественного откоса (в среднем 8м на 1º). Диаметр ствола существенно на величину опасной зоны не влияет, но при отсутствии закладки в стволе может быть определяющим. Разумеется, что на величину Dкр.max. оказывает влияние и нагруженность участка поверхности вблизи ствола. Поэтому установленные «Правилами…» размеры зон опасных деформаций с радиусом 20…40 м (в зависимости от мощности наносов) можно рассматривать как ориентировочные, чаще минимальные.

Численные значения величин (диаметров) опасной зоны при углах естественного откоса различных пород наносов (таб. 4.5) и типовых диаметрах стволов круглой формы приведены в таблице 4.6 (при hн = 20м.)

		Величины опасной зоны Dкр.max, м.		Таблица 4.6.
	Dс, м		φ, градус
		25	35	45

113

4	89	61	44
6	91	63	46
8	93	65	48

При неблагоприятных условиях (наносы – 60 м, средневзвешенный угол естественного откоса – 33о) диаметр опасной зоны может достигать 180 м, и даже при hн = 20 м, что наиболее характерно, этот показатель может превышать 60 м.

В связи с этим важно проанализировать причины и условия возникновения провалов на поверхности.

Наиболее вероятные из возможных причин – это взаимосвязанная цепочка причин: потеря устойчивости (возможно и разрушение полка перекрытия ствола из-за недостаточной его прочности, перекоса, среза или смятия опоры и ухода закладки из устья в ствол при отсутствии закладки в стволе или ее чрезмерной усадке), разрушение крепи устья ствола под действием сил давления наносов и воды (рис. 4.23).

114

Рисунок 4.23. Схема возможного образования (достижения) максимальной (критической) величины провала поверхности при разрушении полка перекрытия ствола.

Достаточно убедительным является пример образования на земной поверхности кратера диаметром около 400м при разрушении полка перекрытия при неполной засыпке ствола на шахте «Фучик» (Чехия, 1973г.)

Диаметр воронки на поверхности определяется средневзвешенным углом естественного откоса пород наносов и их высотой, если полок перекрытия находится на уровне коренных пород, а глубина – высотой наносов или объемом свободной от засыпки части ствола ниже полка перекрытия.

Дальнейшее увеличение диаметра воронки	если и будет происходить
(коренные	, как бы
искусственно
Вторая	перекры-
тия ствола	большой вы-
соте наносов	случае
возможно	под дей-
ствием	вооб-
ще, либо	недостаточ-
ную плотность	случае,
если	набухающие,
	115

приРисунокразрушении4.25. Разрушениекрепи устьяустволаья вертикальногониже полка перекрытияствола без: 1закладки– первоначальноепри наличиисдвижениенеустойчивогонаносовслоя; 2 коренных– в перспективепород..

склонные к вытеканию. И условий для возникновения подобных ситуаций достаточно много. Ведь в 25% случаев подстилающие коренные породы карбона представлены небольшими по мощности (до 4…6 м) слоями слабых осадочных материалов с незначительной сопротивляемостью сжатию, склонных к размоканию и набуханию. К тому же при длительном обводнении сопротивление сжатию у них значительно снижается (у алевролитов, например, на 40%, а у аргиллитов – на 50%).

Впервых двух случаях произойдет обрушение полка перекрытия ствола, уход закладки и сдвижение наносов. В последнем – полок потеряет устойчивость, во всяком случае – свою несущую способность. А далее вероятна подвижка закладки, размещенной между полками, если закладка ниже полка перекрытия (опорного полка) будет уплотняться вследствие усадки.

Возможна ситуация, когда опорный полок перекрытия ствола устойчив, а происходит разрушение крепи устья ствола под действием давления пород наносов и воды (при отсутствии закладки между полком перекрытия ствола и полком перекрытия устья ствола на поверхности, или при ее наличии, но большой усадке или малой плотности). Произойдет сдвиг пород наносов внутрь ствола (больший – при полном отсутствии закладки, меньший – при ее усадке), опускание поверхности в окрестности ствола. В конечном итоге подвижки наносов произойдут под углом естественного откоса, но на высоте меньше высоты наносов, ибо при отсутствии закладки уплотняются обрушившиеся в ствол породы, а при наличии закладки – произойдет ее уплотнение в нижней части устья ствола.

Вкаждом конкретном случае расчет следует вести следующим образом. Определяется объем усеченного конуса с высотой, равной высоте наносов за вычетом свободной полости устья ствола. Затем, с учетом коэффициента разрыхления этого объема пород, но уже при заполненной ранее свободной полости ствола, определяется высота заполнения, а по разности высот – величина опускания поверхности вокруг устья ствола.

Аналогична и логика нахождения величины опускания поверхности

втом случае, если произойдет разрушение опорного полка перекрытия, «уйдет» закладка, размещенная между полками, но не вся сползающая порода наносов с учетом их разрыхления разместится в свободной от закладки чисти ствола.

Исходным в любом случае, является то обстоятельство, что при сдвижении наносов и обрушении их в свободную часть ствола образуется воронка в виде усеченного конуса, угол наклона поверхностей которого (угол сдвижения наносов) в предельном состоянии равен средневзвешенному углу естественного откоса наносных пород, а его высота – мощности наносов. При отсутствии сдвижения наносов конусная воронка не образуется. Другие случаи - промежуточные.

116

На основе этой посылки расчетная схема определения параметров деформации земной поверхности представлена на рисунке 4.26.

В общем случае объем пород наносов в массиве в усеченном конусе определяется как

			VHI = Vу.к. − Vc (hH ) , м3,	(4.31)
где Vу.к. – объем усеченного конуса, м3,
V	(h	H	) – объем ствола по высоте наносов, м3.
c

117

Рисунок 4.26. Расчетная схема определения возможного максимального размера разрушения земной поверхности вследствие обрушения пород наносов в свободное пространство вертикального ствола: Нi – высота свободной части ствола, м; hн – мощность наносов, м; ϕ – средневзвешенный угол сдвижения (в пределе – угол естественного откоса) наносов, град.; hнi – глубина воронки при обрушении пород наносов в ствол по глубине Hi, м; H3 – высота закладочного массива в стволе или высота размещения опоры-перемычки в стволе, м; Нс – глубина ствола, м; r – радиус ствола, м.

		1		2				2				2	3
VHI =			π h HI (R		+	R r +	r		)	−	π r		h HI , м .	(4.32)
		3

После преобразования с учетом угла сдвижения φ и коэффициента разрыхления пород наносов Кр имеем

118

π

h

HI

2

h

HI

2

3

=

h

+ r

+

+

r

r −

V

HI

K

p

HI

2r

, м .

(4.33)

3

tgϕ

tgϕ

Объём ствола, который будет заполнен этими породами

V	= π r 2 (H	i	−	h	HI	) , м3.	(4.34)
c

Из приведенного выражения следует, что при глубине свободной части ствола равной Нi, его заполнят обрушенные наносы высотой (Hi – hHI),a при больших значениях Нi произойдет обрушение наносов на большую высоту вплоть до hн с образованием (достижением) с течением времени на поверхности кратера с максимальным значением его диаметра. В тех случаях, когда часть ствола заполнена закладкой на величину Hi, или на этой высоте сооружена стволовая опора-перемычка, величина обрушения наносов уменьшится до какого-то значения hHI. И только при условии полной засыпки ствола, отсутствии усадки закладочного материала в стволе и его утечек в примыкающие выработки hHI будет равна нулю. Последнее, достигается путем применения специальных мер.

Реально же возможны три варианта соотношений Н, и hHI :

первый - ствол не заполнен закладкой (пустой), т.е. Нi = Нc и hHI <hн ; второй - ствол частично заполнен закладочным материалом на высо-

ту Нз и Нi<Нc, т.е. в свободной части ствола Нi размещаются обрушенные породы на высоту hi<hн.

И, наконец, третий, когда ствол на высоту Нс (полностью) заполнен закладочным материалом, но со временем возможна его значительная усадка или частичная утечка в сопрягающиеся выработки. В этом случае в стволе образуется пустота высотой (Нi - hHI) и при разрушении крепи ствола произойдет сдвижение наносов.

Величину Нi, находим из уравнений (4.33) и (4.34).

					h	HI				h	HI
H	i	=	K	p
					3r		2			tgϕ

		2		h						3
					HI				2r 2
+	r	+				+	r	r −		, м .	(4.35)
				tgϕ

Результаты вычислений соотношений Hi, и hHI для наиболее характерных условий (диаметр ствола Dc =6 м, углы сдвижения пород наносов j =30...39°, коэффициент разрыхления пород Кр=1,2) представлены на рис. 4.27.

Как видно из рис. 4.27, чем меньше Hi, тем меньше глубина воронки обрушения наносов hHI. При постоянной величине Hi, глубина воронки увеличивается с увеличением угла сдвижения пород. В то же время увеличение

119

Рисунок 4.27. Глубина воронки на поверхности при разрушении наносов высотой (hнi) в функции свободной (незасыпанной) глубины ствола (Hi)

угла сдвижения пород с 30 до 39° при hHI равном, например, 10 м уменьшает глубину заполнения ствола разрушенными породами наносов примерно на 50% (с 205 до 120 м). А это значит, что при одном и том же значении hHI диаметр опасной зоны на поверхности будет меньше. Анализ уравнения (4.35) относительно влияния мощности (высоты) обрушившихся наносов на диаметр провала земной поверхности (рис 4.28) позволяет заключить, что при одной и той же высоте возможного обрушения наносов размер опасной зоны (Dкр) тем больше, чем меньше угол сдвижения (угол естественного откоса) пород.

Разумеется, что на величину Dкрmax оказывает влияние и нагруженность участка поверхности вблизи ствола. Но это отдельная задача.

Объективность методики проведенных исследований и достоверность полученных зависимостей величин параметров сдвижения поверхности от условий и влияющих факторов подтверждаются данными заключения экспертной комиссии по расследованию причин аварии, произошедшей 21 апреля 2001 года на стволе шахты № 6-14 в г. Макеевке. Отклонения расчетных величин от фактически измеренных не превышает 15%.

В соответствии с прогнозными расчетами приведенных выше величин можно и следует принимать решения о строительстве в указанных зонах объектов той или иной категории или оценивать потенциальную опасность для уже существующих ответственных и жизненно важных объектов.

120

Однако представляют практический интерес и возможные сравнительно небольшие деформации поверхности, влекущие за собой наруше-

Рисунок 4.28. Величина максимально возможного диаметра провала дневной поверхности (Dкр.max) в функции мощности обрушившихся наносов (hнi)

ния перекрытий устьев стволов. Это связано, прежде всего, с усадкой закладки. При засыпке стволов рядовой породой шахтных отвалов ее усадка через определенное время может достичь 10% и более.

Расчеты показывают, что при усадке в стволе диаметром 6 м закладочного материала на 20 м (что вполне возможно в реальных условиях) потенциальная глубина провала достигает 4…5 м, при понижении уровня закладки на 10 м от полка перекрытия устья ствола – 3…4 м. А вот при образовании в стволе пустоты не более 3…4 м провал достигает только 2…2,5 м, диаметр кратера – 7…10 м. При этих условиях образовавшийся провал еще можно изолировать плитой перекрытия устья ствола. При больших усадках закладки и несвоевременной ее досыпке эта мера окажется недостаточной.

Пользуясь логикой нахождения величины опускания (провала) поверхности можно решить и обратную, не менее важную для практики задачу, когда по заданным предельно допустимым в конкретных условиях параметрам сдвижения земной поверхности необходимо определить величины влияющих факторов (уровень заполнения ствола закладочным материалом; вид закладки, ее состав; местоположение ствольных опор) с учетом мощности, состава наносов и их физико-механических свойств.

121