книги / Сдвижение и дегазация пород и угольных пластов при очистных работах

	В геометрическом смысле величина d			характеризует		смещение	точки
перегиба кривой вертикальных сдвижений при условии полной подработки
относительно		забоя лавы.
	Согласно	результатам	исследований Б.Г.Тарасова		/5 9 /,	именно	точка
перегиба кривой оседаний			, определяемая	величиной	д',	является	парамет­
ром,	определяющим место		наибольшей пористости и проницаемости горных по­
род	в зонах	частичной разгрузки.

4 . Математическая интерпретация зоны сдвижения, граничной поверхности, зоны нетронутого массива горных пород

Выполненные выше теоретические исследования процесса сдвижения гор­ ных пород при движущемся забое лавы позволяют получить математическую интерпретацию зон сдвижения, их границ для любого момента времени.Эта задача представляет интерес не только при выборе мер охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния горных работ,но и при установ­ лении закономерностей дегазации сдвигающегося массива горных пород и

образования защищенных зон и зон разгрузки,	образующихся под влиянием
проведения очистной выработки.
Подставим в уравнение ( I . I I ) значения. d	/формула <1.1617 и

Поскольку зона	сдвижения	горных пород	будет характеризоваться как	одним
из показателей	наличием	вертикальных	сдвижений, т . е .. (я ,у ,z, i f ?	О,

то математическую интерпретацию зоны сдвижения можно записать.в виде не­ равенства

( I . 19)

Геометрическое место точек массива горных пород верхнего полупрост­ ранства,впервые удовлетворяющее условию

( 1. 20)

при удалении в любом направлении от зови сдвижения, представляет собой граничную поверхность зоны сдвижения (область* влияния горной выработки). Сдвижения и деформации горных пород за пределами этой поверхности прак­ тически отсутствуют.

При дальнейшем удалении точки от зоны сдвижения ее координаты также будут удовлетворять условиях» (1 .20), однако указанная точка уже будет принадлежать нетронутому массиву горных пород и равенство (1 .20) будет представлять собой уравнение зоны нетронутого массива горных пород.

Уравнения (1*19), (1,20). позволяют по известным координатам точки массива горных пород, а также по исходным параметрам определить для лю­ бого момента времени принадлежность данной точки к зоне сдвижения,гра­ ничной поверхности или зове нетронутого массива горных пород,а также подучить границы воны сдвижения горных пород под действием очистной вы­ емки.

При больших глубинах разработки пластов и существующих в настоящее время размерах очистных выработок проведение одиночной очистной выработ­ ки во многих случаях не вызывает сдвижения земной поверхности - процесс сдвижения затухает в массиве горных пород.Этот случай представляет инте­ рес как с точки зрения изучения процесса сдвижения, так и с точки зрения образования полостей расслоения в подработанной толще (более детально этот вопрос будет рассмотрен в гл . Hi).

Примем длину выработки вдоль оси & достаточной для полной подработ­ ки земной поверхности. Рассмотрим вертикальную плоскость,проходящую че­ рев середину такой выработки в направлении оси у , В атом случае

Тегда

С учетом этого формула (1.Г8) примет вид

Г Л А В А В

"СДВИЖЕНИЕ НАДРАБАТЫВАШОЙ ТОЛЩИ ГОРНЫХ ПОРОД В ЗОНАХ ПОВЫШЕННЫХ ТЕКТОНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

I . Напряженное состояние нетронутого массива горных пород в зонах современных движений земной коры

Согласно Динниковскому распределена!) напряжений			в	нетронутом масси­
ве горных пород горизонтальная составляющая напряжений				0 ^ находится в
следующем соотношении с вертикальной	составляющей <5г		:
• , ~	Ь	А -
где i -'коэффициент Пуассона. Однако в		ряде случаев	замеренные вне зоны

влияния вырабрхок горизонтальные напряжения оказываются больше вертикаль­ ных. Так,по данным работ /8 ,2 1 ,6 0 7 ,выполненных на руднике "Расвумчорр",

Таштагольском месторождении, а также		в условиях шахты им.К.И.Поченкова
В Донбассе, отношение	оказалось	больше единицы, что свидетельству­

ет о существовании дополнительных напряжений в нетронутом массиве горных пород.

Нами выполнен.анализ экспериментальных данных,приведенных в работе /2 1 /, в частности определены численные значения дополнительных к грави­ тационным напряжений. Назовем их в дальнейшем тектоническими напряжени­ ями. С целью исключения влияния близости контура выработки для расчета принимались значения напряжений, замеренных на расстоянии не менее 4 м от стенки выработки.

Значения тектонических вертикальных напряжений определены для шахт им.Поченкова, "Петровская-Глубокая" и "Кочегарка" по формуле

• т *

а горизонтальных - по формуле.

где бх//, вхм - измеренные значения вертикальной и горизонтальной сос­ тавляющих поля напряжений; бх , <%. - расчетные (по Дияниковскому распре­ делению) значения вертикальной и горизонтальной составляющих поля напря­ жений.

Как видно из данных таблЛ«величина вертикальной составляющей допол­

нительных напряжений	во многих	случаях достигала	значения гравита­
ционной расчетной составляющей, а в		некоторых случаях	в два раза	превы­
шала его,в то время как величина, горизонтальной составляющей (				)
превышала расчетное	значение в несколько раз.

Исследованиями, проведенными сотрудниками Донецкого управления шахт­ ной геологии на Донецком полигоне для изучения современных движений зем­ ной коры /1 о /, установлено,что в районах внезапных выбросов угля и газа земная поверхность претерпевает интенсивные поднятия или опускания (на участках не подверженных влиянию горных работ). По данным р аб о ты /10] участки шахт и рудников с высокими напряжениями в массиве горных пород приурочены к активным зонам современных тектонических движений земной коры. Поэтому тектонические напряжения могут быть результатом действия тектонических сил.В то же.время значительные дополнительные напряжения, вызванные тектоническими движениями земной коры,могут быть одним из фак­ торов, предопределяющих выбросоопаоность.пород и пластов.В связи с этим для борьбы с выбросами пород,угля и газа может быть иопользован принцип снятия или уменьшения указанных напряжений путем разгрузки выбросоопас­ ного массива при ведении очистных работ /2 2 ,4 9 /.

При отработке горизонтально залегающего пласта на некотором удале­ нии позади забоя лавы в надработанной толще пород, при наличии полной подработки происходит восстановление горного давления, обусловленного весом вышележащих пород /2 2 ,4 2 ,4 9 /. Максимальная величина указанного

давления	равна f H . Аналогичная картина наблюдается в надработанной
массиве	пород.
При наличии (до момента надработки в массиве пород) напряжений,пре­
вышающих гравитационные, в породах с ярко		выраженными упругими свойства­
ми, какими являются выбросоопасные песчаники,			после восстановления давле­
ния в зонах полных сдвижений до величины		fH	должны наблюдаться необ­

ратимые деформации, вызванные разгрузкой от тектонических напряжений. Следует отметить,что разгрузка массива приводит к его дегазации /2 5 /, в результате чего происходит повышение прочности дегазирующей части мас­ сива.

Повышение прочности угля		при его дегазации было отмечено в работах
/2 0 ,6 8 /, этим же	объясняется	уменьшение скорости бурения в		дегазирован­
ных и увеличение	ее в газонасыщенных		зонах./^ 0 /.
Явление адсорбционного изменения			прочности твердых тел	обосновано

2*—Г,-SOГ

Номер	Расстоя-	Модуль Юнга,			*	Напряжение . н/м2			тектоншческое
скваки-	впе от			измеренное		расчетное		^гра-
яы	устья	£ •№ ’ * * /* *		У		витационное)
	скважины
	до места						Gx	fff-S	<5*\-r a s
	наклейки					% •* > *
	тензодат­								Z
	чиков
				Шахта им.К.И.Поченкова
i	4	2*1	0,15	500	640	229	40,5		271	599,5
î	5 ,6	2,1	0,15	550	780	229	40,5		321	739,5
			0,16	Шахта "Кочегарка"		215	40,7		730	599,3
i	6	3 ,3		945	640
СОСОЮЮСО	6	3 ,3	0,15	450	450	215	37,7		235	412,3
	6	3 ,6	0,16	490	245	215	40,7		275	204,3
	8.	3 ,3	0,15	650	680	215	37,7		335	642,3
	6	2 ,3	0,12	365	210	215	29,2		1£0	180,8
	6	2 ,3	0,12	340	180	215	29,2		125	150,8
				Шахта "Петровская-Глубокая"
CVCO^mCDCO.-H	4	2 ,6	0,18	280	315	226	49,5		54	265,5
	6	3 ,2	0,20	370	500	226	56,2		144	443,8
	6	3 ,2	0,20	780	970	226	56,2		554	913,8
	6	2 ,6	0,18	430	430	226	49,5		204	380,5
	4	2 ,6	0,18	720	975	226	49,5		494	925,5
	'4	3 ,2	0,20	670	800	226	56,2		444	743,8
	4	3 ,2	0,20	750	850	226	56,2		524	793,8

угол па-

дения

пород,

град

18

51-55

10-14

Ребнндером	Оно выражается в увеличении деформации твердых тел при
тех же нагрузках	и понижении критических пределов текучести, прочности

жработы разрушения, •

Вработах /& 4-67/ изложены результаты исследований по изменению прочности углей при газонасыщеняи,достигающей 25-30J6,

Показано,что сорбируемые молекулы облегчают развитие новых микрощелей

ипрепятствуют их смыканию.

Врезультате выполненных нами экспериментальных исследований также ус­ тановлено понижение прочности выбросоопасных песчаников при их насыщении газом и повышение прочности при дегазации.

Указанные' факты позволяют сделать вывод,что при снижении давления га­ за в сдвигающемся массиве происходит увеличение его модуля Юнга. В атом случае даже при полном воостановлении существовавших до надработки(под­

работки) нагрузок	не происходит полного восстановления деформаций.
^ Таким образом,	сдвижение надработанного газонасыщенного массива,рас­

положенного в зонах повышенных напряжений, обусловлено тремя факторами: дейотвием разгрузки от веса пород, от тектонических напряжений,а также эффектом повышения прочности угля и пород при их дегазации.

2, Исследование сдвижения надрабатываемой толщи выбросоопасных песчаников

С целью исследования закономерностей сдвижения я разгрузки выбросоопасного надрабатываемого массива горных пород в условиях шахты им.К.И.Поченкова в Донбассе нами были заложены две наблюдательные стан­ ции,состоящие соответственно из 33 и 7 реперов, которые устанавливались в шпуры, пробуренные в бока выработки. Станции были заложены вдоль запад­ ного (рис.10) и восточного (puc.II) полевых откаточных штреков пласта

, расположенных в почве на расстоянии соответственно 30-40 и 18-25 м по нормали от него. Глубина разработки пласта 915 м,угол падения 18-20°. Замеры сдвижения породного массива по мере его надработки производились путем двойного нивелирования профильных линий. Первые наблюдения выпол­ нены в момент, когда проекция линии очистного забоя находилась на рассто­ янии 80-100 м от начала реперных линий.

В результате экспериментов установлено,что заметное смещение реперов в сторону разрабатываемого пласта начинается при подходе к ним проекции очистного забоя на расстояние 50-60 ы. По мере дальнейшего приближения лавы скорооть поднятия реперов увеличивается, достигая максимального зна­ чения после прохода лавы над ними и последующего удаления ее на 5-10 м. Затем окорость смещения реперов затухает, и с удалением лавы на расстоя­

ние 50		-60 м сдвижение породного массива практически прекращается.Так,
величина поднятия реперов			при удалении лавы от них на расстояние от 60
до	120	м составляла всего	20 мм. Начиная с момента ухода лавы от реперов
на	120	м и дальше происходило плавное опускание реперов. Однако численное

т я ° ° С™' 1У031J

2-й бот. гпр. илтр,

а

^M câeL a

0 50 100 150м

1__ I— I— I

? ■O-Vlf ^ 1 1 - 1 5 — 17-19	21. 23 2 5 27 29	Л 3
U g . - . w . \ \ v . ’.V.	.............................. 0 / 0 *	гОм
	10

J_

Рис. 10. Выкопировка из плана горных работ в районе подземной наблюдательной станции в западном крыле горизонта 915 м (а)

и экспериментальные (сплошные) и расчетные (штриховые) кривые сдвижений реперов (б).

значение величины указанного опускания составило всего 30 мм за период 16 месяцев. Протяженность участка, подверженного заметному сдвижению по­ родного массива в описываемых условиях, составила 120 м. Максимальная ве­ личина поднятия реперов оказалась равной 26 см.

Таким образом, данные выполненных нивелировок на двух наблюдательных станциях, заложенных в восточном и западном крыльях горизонта 915 м шахты им.К.И.Поченкова, убедительно показывают,что яадработка выбросоопасных песчаников для описанных выше условий приводит к значительным смещениям надрабатываемого массива горных пород в сторону выработанного пространства. Указанные смещения несколько убывают после значительного удаления лавы, что свидетельствует о частичном восстановлении горного давления в зоне полных сдвижений /497 . Однако наличие значительных оста­ точных смещений после истечения продолжительного времени с момента надработки реперов говорит о снятии существовавших напряжений тектоническо­ го происхождения,' дегазации и увеличении прочности горных пород и плас­ тов в выбросоопасных зонах, а значит и о разгрузке их от существовавших напряжений.1О необратимых процессах сдвижений и деформаций при надработке свидетельствует также характер изменения деформаций, замеренных по нормали к напластованию и в плоскости напластования выбросоопасныхлесча-

из плана горных работ в районе	подземной
!iao™Sûntt5o!!SÎLCTaH1^ в восточном крыле горизонта	915	м (а)
сд в ^ ем Й МреперЬШ(б |СШ1ОШШ0 а Расчетные (штриховые)		кривые

ников. В частности, из, рис.12 видно,что в процессе надработки выбросо­ опасные породы получают разгрузку вследствие изменения напряженно-де­ формированного состояния,причем после ухода лавы на значительные рассто­ яния полного восстановления первоначального напрягеннЬго состояния не происходит,что согласуется с характером сдвижения,полученным на профиль­ ных линиях.

Указанный выше факт мы используем для получения математической моде­ ли процесса сдвижения надрабатываемых выброооопасных пород.

3 . Исследование характера вертикальных сдвижений надрабатываемого массива горных пород

Полученные в условиях шахты им.К.И.Поченкова кривые одвижения реперов наблюдательных атанций'(см .рис.10,П ) при их надработке пластом угля поз­ воляют определить общий характер сдвижения иадрабагываемой толщи горшх пород. Причем экспериментальные результаты дают возможность получить

о

4

Рас. 12. График деформаций выбросоопасного массива горных пород в районе наблюдательной станция в Западном полевом откаточном штреке пласта т» (горизонт 915 и,шахта им.К.И.Поченкова, Донбасс).

математическое описание процесса сдвижения надрабагываемых пород в дина­ мике, т .е . представить сдвижение массива при его ыадработке в функции времени. Для этой цели воспользуемся той же схемой исследований, которую мы применили при выводе уравнения динамической мульды сдвижения /|орцула (1 .111/.

Проследим характер кривой вертикальных сдвижений, надрабатываемого мас­ сива в горизонтальной плоскости относительно движущегося забоя лавы.Сов­ мещая точки, обозначающие, положение забоев на моменты .наблюдений за репе­ рами профильной линии, получаем пространственное совмещение кривых верти­ кальных движений. Трансформирование указанных кривых вертикальных сдвиже­ ний реперов в ■единичную кривую и наложение ее на интегральную кривуюГауо> са показало их хорошую сходимость (см. рис Л ) . Это позволяет применить по­ лученную ранее функцию влияния, а также гипотезу о единичном влиянии эле­ мента выработанного пространства для описания процесса сдвижения пород при их яадработке.По аналогии с приведенным выше решением,проинтегрируем

функцию влияния в пределах расчетных границ			очистной выработки. Одна	не
границ выработки (лава) - подвижна. Начало			координат выбираем в той	же
точке,что и при решении задачи для верхнего			полупространства. Тогда ве­
личина поднятия точки	с координатами	*• #	к в момент времени /	, ■
принадлежащей массиву	горных пород при	его	надработке, выразится формулой