21.3.4. Предохранительные целики.
Наиболее надежной мерой защиты и охраны объектов и сооружений от вредного влияния подземных горных разработок (но подчас наименее экономичной) является оставление предохранительных целиков.
Установление оптимальных размеров предохранительного целика представляет собой сложную и ответственную инженерную задачу. Известны случаи, когда целики недостаточных размеров вызывали большие повреждения сооружений, чем отработка запасов без оставления целиков.
Вместе с тем оставление излишних запасов в целиках ведет к неоправданным потерям полезного ископаемого и наносит значительный ущерб народному хозяйству.
Оставление целиков существенно нарушает технологию добычи полезного ископаемого и ритм работы горного предприятия. Особенно это ощутимо при высокой степени механизации добычных процессов, так как переход горных работ через оставляемый целик связан с увеличением непроизводительных монтажных работ.
При оставлении предохранительных целиков предусматривают, как правило, не полную защиту сооружений, а только защиту их от разрушительных деформаций, т. е. при этом сооружения должны попадать за пределы опасной зоны мульды сдвижения (рис. 21.4), определяемой углами сдвижения. Для особо ответственных сооружений, в том числе для глубоких (свыше 600 м) вертикальных стволов шахт, целики строят по граничным углам.
1 — мульда оседания, 2 — график горизонтальных деформаций, 3—охраняемый объект.
Под построением целиков следует понимать определение границ, до которых можно вести горные работы, не вызывая недопустимых повреждений в охраняемых объектах или прорыва воды в горные выработки.
Обычно границы предохранительных целиков определяют на вертикальных разрезах линиями пересечения почвы пластов с плоскостями, проведенными под углами сдвижения (или граничными углами) через границы охраняемой площади.
21.4. Конструктивные меры защиты подрабатываемых сооружений.
Конструктивные меры защиты могут быть осуществлены как в период проектирования и строительства сооружений, так и непосредственно перед подработкой в период их эксплуатации.
Более эффективны меры, осуществляемые в период строительства. Однако вкладывать средства в мероприятия, которые окупятся через много лет, не всегда бывает выгодно. В ряде случаев целесообразнее провести ремонтно-восстановительные работы или применить более дорогие мероприятия в период эксплуатации сооружения.
Вопросы строительства сооружений на подрабатываемых территориях, в том числе и условия применения конструктивных мероприятий, регламентируются специальными нормативными документами, в частности, “Правилами охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. М, Недра, 1981, 288 с.” и “Руководством по расчёту и проектированию зданий и сооружений на подрабатываемых территориях. М, Стройиздат, 1983, 136 с”.
Здания проектируют по жесткой, податливой и смешанной конструктивным схемам.
При проектировании по жесткой схеме предусматривают усиление здания железобетонными поясами и другими конструкциями, повышающими жесткость и прочность здания до состояния, при котором несущие конструкции смогут сопротивляться деформациям земной поверхности.
Проектирование по податливой схеме имеет целью придать зданию определенную гибкость с таким расчетом, чтобы оно вписывалось в мульду сдвижения и при этом в несущих конструкциях не возникало опасных напряжений. Гибкость зданий создают путем применения специальных шарнирных вставок и связей, нежестких междуэтажных поясов, широких проёмов и пр.
Для защиты таких зданий от горизонтальных деформаций земной поверхности между наземной и подземной частью создают обычно шов скольжения. При использовании принципа податливости предусматривают меры по обеспечению пространственной устойчивости каждого отсека здания.
При проектировании по смешанной конструктивной схеме применяют различное сочетание жесткой и податливой схем. Например, подземную часть принимают податливой, а наземную — жесткой и т. д.
Для эксплуатируемых зданий, построенных без специальных конструктивных мероприятий, применяют следующие меры защиты:
разделение зданий на секции путем создания деформационных швов;
усиление зданий тяжами, установленными на одном или нескольких уровнях по периметру стен;
установка зданий на домкраты с подведением металлических или железобетонных обвязочных балок под наружные и внутренние стены;
отрывка вокруг зданий компенсационных траншей, концентрирующих в себе основные виды деформаций с целью разрядки напряжений в зданиях;
устройство железобетонных плит и поясов по грунту или на уровне перекрытия над подвалом;
подведение железобетонных фундаментов;
укрепление отдельно стоящих колонн и т. д.
Для уменьшения вредного влияния горных работ на технологическое оборудование его разрезают на отдельные блоки; предусматривают упругие связи или гибкие передачи между отдельными блоками и агрегатами; устанавливают оборудование на домкратах, позволяющих регулировать его положение при подработке; создают шарнирно-подвижные опоры и увеличивают площадь опорных плоскостей.
При проектировании трубопроводов различного назначения (газо-, водопроводов, канализации) в качестве мер защиты применяют:
засыпку трубопроводов грунтом, плохо сцепляющимся с трубопроводом (наиболее часто применяют песок или другие материалы, близкие по свойствам к песку);
устройство на поверхности трубопровода изоляции, уменьшающей коррозию металлических труб и снижающей сцепление с грунтом;
создание равнопрочных стыков;
установку сальниковых, П-об-разных и других компенсаторов.
Эффективным средством защиты является прокладка трубопроводов на поверхности земли на опорах различной конструкции.
При прокладке над горными выработками линий канализации трубопроводам задают избыточный уклон с таким расчетом, чтобы нормальная работа канализации сохранялась и после ее подработки.
В условиях крутого, складчатого и нарушенного залегания пластов, когда на земной поверхности образуются уступы, в местах пересечения линий канализации уступами целесообразно сооружать специальные колодцы. Трубы в колодцах должны иметь перепад, равный ожидаемой высоте уступа, а конструкция колодца должна обеспечивать возможность подвижки труб в колодце на высоту перепада.
Опоры подвесных дорог и высоковольтных линий электропередач, радио- и телевизионные вышки при необходимости укрепляют перед подработкой дополнительно растяжками. В отдельных случаях для выравнивания радио- и телевизионных вышек применяют поддомкрачивание и подклинивание.
При подработке железных дорог производят выправление продольного и поперечного профиля путей, регулировку зазоров между рельсами, расширение насыпи и другие работы, необходимые для обеспечения безопасной и бесперебойной эксплуатации подрабатываемых дорог.
Особое место среди конструктивных мер занимают методы защиты вертикальных стволов в силу специфических условий их работы. Стволы находятся в массиве горных пород, непосредственно связаны с ним и деформируются не только из-за неравномерного сдвижения пород, но и вследствие перераспределения напряжений в массиве, вызванного как проходкой стволов, так и влиянием очистных работ.
Поэтому при проектировании конструктивных мероприятий необходимо предусматривать защиту стволов и от сдвижения горных пород и от перераспределения напряжений.
Конструктивные меры защиты стволов стали внедрять относительно недавно, поэтому опыт их применения еще невелик. Тем не менее эти меры безусловно найдут широкое применение в практике горного дела, поскольку традиционные методы защиты стволов предохранительными целиками при больших глубинах разработки пластов становятся нерациональными.
Поскольку наиболее распространенным видом деформирования стволов является изменение их длины (укорочение или удлинение), конструктивные меры направлены прежде всего на защиту крепи и армировки стволов от этого вида деформаций. С этой целью в крепи ствола устраивают горизонтальные осадочные швы, заполняемые податливым или малопрочным материалом, уменьшают трение и ослабляют связи между крепью и окружающими породами, применяют специальные крепежные материалы или конструкции, на стыках проводников устанавливают компенсирующие узлы податливости или сменные вкладыши.
При наклонном и крутом падении пластов помимо вертикальных деформаций происходит изменение диаметра стволов, сдвиг поперечных сечений и срез крепи. Для защиты от этих видов деформаций применяют радиальные вертикальные податливые прокладки или специальные крепи, выдерживающие без разрушения изменение формы поперечного сечения; производят заполнение закрепного пространства сжимающимися или вязкими материалами. Иногда применяют также крепи из отдельных несвязанных элементов, из легких блоков на анкерах, штанговую крепь с сеткой и т. д.
Для обеспечения в период эксплуатации необходимых зазоров между крепью ствола, движущимися сосудами, армировкой и канатами при проектировании размеры и формы сечений стволов, а также расположение армировки и подъемных сосудов предусматривают с учетом предстоящих сдвижений массива пород. Обычно принимают схемы армировок с минимальным числом расстрелов и лунок за счет крепления части проводников к консолям и кронштейнам, с односторонним расположения проводников, а также путём применения проводников повышенной жесткости.