книги / Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений

ХП 1996 г.

Рис. 13.

Влияние тектоники на конвергенцию в очистной выработке:

1 и 2 — кривые, построенные для расстояния от добычного забоя, соответственно равного 2 и 4 м [136]

Рис. 14.

Схема распределения горного давления при камерной разработке пласта каменной соли [ 77 ];

I — зона добавочного (опорного) давления; II — зона неполной нагрузки на целики; III — зона полной нагрузки на целики; IV — зона опорного давления; V — выемочное поле (очистные выработки и разделя­ ющие их целики); h — уровень давления от веса пород покрывающей толщи:

1 — камера; 2 — целик

150 м, нагрузка оказывается меньше, чем в его середине или в краевой зоне соляного пласта (рис. 14). Дополнительное горное давление распространяется в глубь нетронутой части соляного пласта на расстояние до 250 м.

Таким образом, при камерной системе разработки наблюдаются такие же закономерности процесса сдвижения с образованием зон сжатия в породах кровли, как и при разработке системой сплошной выемки, если междукамерные целики проявляют податливость. Целики каменной соли при длительном действии нагрузки, превышающей 1000"Н/см2, деформируются неупруго (пла­ стично), причем их высота уменьшается, а ширина увеличивается. При

Рис. 15.

Реологическая зависимость растяжения соляных пород в условиях длрггелыю действующей нцгрузкн:

Т — первичная стадия	затухающей	ползучести; II
вторичная стадия установившейся ползучести			(при дли­
тельно действующей нагрузке 2000 Н/см2); III			— трстг)Я
стадия прогрессирующей ползучести		при весьма высоких
нагрузках; IV — зона	мгновенной упругой деформации

длительно действующей нагрузке более 2000 Н/см2 начинается вторичная пласти­ ческая деформация текучести (рис. 15), в результате которой через 50 лет происходит заполнение выработанного пространства камер на 50%, а через 100 лет — на 70%. Одновременно с пластическим деформированием целиков происходит обрушение отслоившихся соляных плит или коржей, а также пучение почвы, выражающееся в образовании разломов и внедрении целиков в слабые породы почвы на глубину до 20 см. В закладке боковая поверхность целиков находится под давлением, и при большой нагрузке они сначала уплот­ няются, а затем деформируются. Максимальное оседание кровли чаще всего составляет от 30 до 40%М , а при постоянной мощности соляного пласта зави­ сит от отношения площади целиков к общей площади выемочного участка.

Пример. Если при системе разработки, показанной на рис. 1, площадь всех камер в выемочном участке составляет 275 м2, а площадь целиков 125 м2, то полностью раздавлен­

	ные целики заполнят выработанное пространство на	125	= 0,31 первоначальной
		275+125

высоты камер и целиков и, следовательно, кровля осядет на 0,69 М, При таком отношении площади целиков к площади выемочного участка в средней части выемочного поля на це­ лики будет действовать нагрузка, на 69% превышающая горное давление от веса пород покрывающей толщи, которое на глубине 800 м составит 2000 + 1380 = 3380 Н/см2.

	При	разработке	соляных месторождений с п о с о б о м		в ы щ е л а ч и ­
в а н и я		можно принять,		упрощенно, что выработанное пространство имеет
вид	опрокинутого кругового конуса с радиусом
	г —				со
где	Q — количество		соли	плотностью р = 2 , 1 г/см 3, добытой	из соответству­
ющей скважины.

Часто случается, что фактический объем воронки выщелачивания ока­ зывается меньше расчетного в связи с опусканием кровли и увеличением ши­ рины целиков, так как, с одной стороны, ангидрит и глина во вмещающих породах при притоке воды могут разбухать до 30% и, с другой сторон ы , при

Рис. 16.

Схема образования пустот в залежи каменной соли при ее разработке способом выщелачи­ вания:

1 — буровая скважяна; 2 — ангидрит; з — залежь каменной соли; 4 — воронка выщелачивания

больших интервалах зондирования положение кровли на чертеже может быть показано только приблизительно (рис. 16).

1.4.

Горизонтальные сдвижения пород кровли

До сих пор рассматривались вертикальные сдвижения наблюдательных точек в кровле и почве пласта. Однако точки породных слоев кровли смещаются не строго отвесно или по нормали к напластованию, а движутся по сложным траекториям (криволинейным и петлеобразным), причем вертикальная соста­ вляющая такого сдвижения обычно в несколько раз больше горизонтальной составляющей. Поэтому кривые оседания кровли, показанные на рис. 8, от­ ражают конечное или промежуточное состояние нижней поверхности пород­ ного слоя кровли. Горизонтальные сдвижения точек кровли мало изучены, поскольку они не являются основным показателем, необходимым для расчета сдвижений горных пород, и, кроме того, потому, что величина таких сдвиже­ ний на поверхности, ограничивающей выработанное пространство сверху, зависит от слишком большого числа различных влияющих факторов. Сдви­ жение приходится измерять на доступных участках нижней поверхности по­ родного слоя кровли, где часто трение по контактам слоев и разрывные дефор­ мации проявляются настолько сильно, что ожидаемые горизонтальные сдви­ жения, обусловленные прогибом кровли, не поддаются измерению, так как их перекрывает сдвижение пород в зоне опорного давления по направлению к очистной выработке. Такое «раскатывание» пород кровли к выработанному пространству вызывается вертикальным дополнительным горным давлением и способствует поперечному сжатию кровли в зоне закладки, вызванному происходящим вертикальным растяжением вследствие разгрузки.

Измерения г о р и з о н т а л ь н ы х с д в и ж е н и й	п о р о д к р о в л и
в опережающих выработках, пройденных в зоне опорного	давления, показали,

что в результате ведения очистных работ впереди очистного забоя возникают

2 Заказ 744

Рис. 17.

Траектория сдвижения точки в кровле и точки в почве очистной выработки (в проекции на го­

ризонтальную плоскость)		при кровле t сложен­
ной хрупкими породами [465]:
1 — забой;	2 — опережающая	выработка; сплошная и
пунктирная	линия — сдвижение точки соответственно

позади и впереди забоя

100ИИ 50

деформации растяжения, а в пределах выработанного пространства — де­ формации сжатия [465]. Пункты, закрепленные в кровле в зоне опорного давления, при прохождении забоя через наблюдательную станцию сместились примерно на 5 см, а над краевой зоной поля закладки — примерно на 10 см в сторону выработанного пространства (рис. 17). Сдвижения в сторону выра­ ботанного пространства показали также измерения смещений точек кровли, выполненные в основном в выемочном штреке по простиранию (по оси штрека)

и по падению — 13,5° (рис.		18). Горизонтальные сдвижения кровли, сложен­
ной хрупким	песчанистым	сланцем, начинаются в		30 м впереди		очистного
забоя [106].	Величина горизонтальных		сдвижений	по	падению	после	про­
хождения забоя через наблюдательную			станцию быстро		возрастает до		4 см,

а позднее почти до 6 см. Сдвижения по простиранию достигают 3 см, и вели­ чина их вновь начинает убывать только на расстоянии 180 м позади забоя. В направлении простирания непосредственно впереди и позади очистного забоя и довольно далеко в выработанном пространстве с закладкой устано­ влено также наличие деформаций растяжения до 0,4 мм/м, несмотря на то что кривизна нижней поверхности кровли в зоне опорного давления и в при­

забойном пространстве		является	вогнутой.
ном	Указанное взаимное положение разрывных и изгибных деформаций в дан­
	случае можно рассматривать		в зависимости от системы трещиноватости
как	с к о л ь ж е н и е	блоков пород по поверхности трещин (рис. 18,6).

В зоне опорного давления угольный пласт, претерпевающий поперечное де­ формирование под действием повышенного горного давления, увлекает вме­ щающие породы в своем движении к выработанному пространству. В При­ забойном и выработанном пространстве трение по контактам и поддержива­ ющая кровлю жесткая опора отсутствуют, поэтому деформации растяжения, возникающие при оседании кровли, приводят к уменьшению величины нор­ мального давления на поверхностях трещин, так что сила тяжести породных блоков временно становится больше, чем силы трения по поверхностям раз­ рыва. и в слоях пород возникают «плоскости скольжения». Начиная с расстоя­ ния 180 м позади забоя, горизонтальные сдвижения по простиранию начинают уменьшаться, из чего можно сделать вывод, что здесь имеют место доформа-

а

Горизонтальные сдвижения точки в кровле этажного выемочного штрека [106]:

I — краевая зона угольного пласта впереди забоя; II — выработанное пространство, заполненное за­ кладкой; 1 и 2 — составляющие сдвижения соответственно по простиранию и падению пласта; з — кривая растяжения; 4 — кривая сжатия; 5 — кривизна выпуклости; 6 — кривизна вогнутости; 7 — нетронутый массив угля; 8 — первоначальное положение непосредственной кровли; 9 — закладка; S — расстояние от угольного забоя

ции сжатия. По-видимому, на этом участке восстанавливается боковой распор и блоки горных пород под действием возрастающего горного давления вновь претерпевают поперечное удлинение.

Впереди и позади забоя, от которого начинались очистные работы, должно также происходить смещение блоков пород кровли по направлению к зало­ женному выработанному пространству. Таким образом, кривые горизонталь­ ных сдвижений на разрезе по простиранию идут от обоих забоев к некоторой точке А , лежащей недалеко от неподвижного забоя, в которой смещение равно нулю (см. рис. 18). С момента прекращения очистных работ до достижения полного равновесия массива горных пород эта точка еще немного смещается к середине выемочного поля.

В отличие от рассматриваемых во второй части этой книги сдвижений земной поверхности, с увеличением размеров выемочного участка горизонталь­ ные сдвижения точек кровли над полем закладки возрастают лишь незначи­ тельно; они зависят главным образом от величины оседания кровли и от пред­ определенного трещиноватостью направления сдвижений. Точка нулевых сме­ щений А также не перемещается вместе с подвиганием очистных работ, а сле­ дует за движением добычного забоя с некоторым запаздыванием во времени

2*

и лишь на небольшом протяжении. Таким образом, процесс сдвижения в пло­ скости отрабатываемого пласта зависит не только от действия гравитационных сил, а траектории сдвижений породных блоков в значительной мере опреде­ ляются также положением поверхностей разрыва.

Если связь между слоями непосредственной и основной кровли и между блоками горных пород в каждом слое сохраняется, как это имеет место при незначительном оседании кровли (при разработке с пневматической закладкой или с оставлением целиков и при отсутствии скольжения по поверхностям разрыва), то, в отличие от схем, показанных на рис. 17 и 18, при изгибе ниж­ ней пачки слоев пород над призабойным пространством возникают деформа­ ции сжатия, а над выработанным пространством — деформации растяжения. Непосредственная кровля над податливой опорой у контура выработки сме­ щается так, что блоки горных пород опрокидываются в сторону нетронутого массива, и в результате наблюдательная точка при приближении очистных работ смещается внутрь зоны опорного давления. После подработки наблю­ дательной точки она начинает сдвигаться в обратном направлении к закладке, пока наблюдательная точка не окажется в середине выемочного участка, от­ куда она должна теоретически возвратиться в свое первоначальное положение с учетом составляющей сдвижения, направленной в сторону зоны опорного давления. Таким образом, наибольшее горизонтальное сдвижение точек кровли при подработке будет иметь место над контуром очистной выработки.

Имеющиеся в литературе данные о наблюдениях за сдвижением кровли, противоречащие приведенным, например, в работе [290], объясняются раз­ личиями в характере деформирования непосредственной кровли (упругий изгиб пачки породных слоев или разрывные деформации в сочетании со сколь­ жением), а также различием в выборе исходного момента времени при исследо­ ваниях (в одном случае наблюдения велись с момента первого проявления сдвижений, а в другом — после подработки наблюдательной станции и выхода ее в выработанное пространство). Так, например, в точке, закрепленной в не­ посредственной кровле над добычным забоем, даже при чистой деформа­ ции изгиба измерения показывают только возрастающие по величине сдвиже­

ния в сторону поля закладки, т. е. фиксируют только	возвратную фазу сдви­
жений.
При н а к л о н н о м з а л е г а н и и пластов	оседание кровли проис­

ходит преимущественно по нормали к напластованию, поэтому дополнительно производятся измерения составляющей сдвижения в направлении, по восста­ нию пласта, а при проведении наблюдений в штреках (см. рис. 17) — соста­ вляющей сдвижения, направленной к оси штрека.

ДЕФОРМАЦИИ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД

2.1.

Зоны сдвижений в слоях пород кровли

Рассмотренное в предыдущем разделе сдвижение непосредственной кровли над очистной выработкой распространяется и на верхние слои горных пород, если отработанный участок имеет такие размеры, при которых свод над выра­ ботанным пространством разрушается (см. рис. 7). При оседании нижних слоев кровли ее верхние слои теряют опору, поскольку вследствие горизон­ тального перемещения по контактам сцепление между слоями отсутствует. Не поддерживаемые снизу породные слои начинают опускаться под действием

собственного веса и внешних нагрузок и		опираются на уже осевшие слои.
В результате процесс оседания очень быстро распространяется				от	одного
породного слоя к другому до земной поверхности. При			этом	в	массиве
горных	пород можно выделить шесть з о н	с д в и ж е н и я ,	различающихся
по характеру деформирования породных		слоев (рис. 19):
а) слои пород почвы, упруго подДувающиеся при их разгрузке в напра­
влении,	нормальном к напластованию;

б) разрабатываемый пласт и слой закладки, неупруго (пластически) сжи­ мающиеся под действием увеличенного горного давления в зоне впереди забоя или под действием нагрузки от опускающейся кровли в выработанном про­

странстве;

Распределение вертикальных деформаций в подработанном массиве горных пород при горн-

<	/|	_____ ‘ *	о и п а и и / п а ш д , г и х	----- о и ш »
	— оседание непосредственной		кровли; 2 — оседание	в зоне
растяжения и вертикальном направлении; i — '
опорного давления;	з — очистная выработка

Т А Б Л И Ц А	3
Зона сдви­	Характер	Характер	Вид деформаций	Влияющие
жения	сдвижения	деформаций		факторы

Слои по­

Поднятие

п под-

Упругая

раз­

По нормали к на­

Размер выемоч­

род почвы

дутие

грузка

пластованию:

сжа­

ного участка, выни­

Угольный

Обжатие п уплот­

Пластическое де­

тие

над

областью

маемая

мощность,

пласт и за­

нение

формирование, хру­

впереди

забоя,

глубина

разработ­

кладка

пкое

разрушение,

растяжение

над

ки, конвергенция

поперечная

дефор­

очистной

выработ­

закладки,

изгиб-

мация по поверхно­

кой.

Параллельно

ная

жесткость,

Непосред­

Направленное

стям

ослабления

напластованию: ра­

положение

точки

Разрывные де­

стяжение в нижних

относительно

за­

ственная

смещение по повер­

формации с образо­

слоях кровли и в боя, угол падения

кровля

хностям

разрыва

ванием небольших

верхней части обла­

пласта,

степень на-

Основная

трещин

(места­

по размеру кусков

сти

впереди

забоя,

рушенности пород

Прогиб

Упругое

дефор­

сжатие в верхних

кровля

ми

образование

мирование,

перио­

слоях

кровли

и в

пустот Вебера)

дическая

посадка

нижней

части

об­

Средняя

Равномерный

кровли

дефор­

ласти

впереди

за­

Упругое

боя

зона

прогиб,

возможно

мирование,

проч­

расслоение

за счет

ность массива с уче­

сдвига,

парал­

том ослаблений

лельного

напла­

Поверх­

стованию

слоев

Пластическое де­

Оседание

ностная

на жестком

осно­

формирование

зона

вании

в) слой непосредственной кровли, который над выемочным участком от­ деляется от более жесткой основной кровли, разрушается и ложится на за­ кладку, сохраняя сцепление между дородными блоками под действием боко­ вого распора, или (при выемке без закладки) обрушается крупными глыбами и заполняет выработанное пространство;

г) основная кровля, которая над выемочным участком постепенно оседает, плавно прогибаясь, пока ее не станет поддерживать закладка или обрушенный материал, а впереди забоя — сжатый угольный пласт, или же которая при определенном консольном зависании над движущимся забоем обрушается

через определенные	интервалы	(циклическое горное давление);
д) средняя зона,	состоящая	из мощных слоев крепких пород, которые

равномерно и в основном упруго прогибаются, причем по отдельным межслое­ вым контактам происходит взаимный сдвиг относительно друг друга;

е) поверхностная зона, состоящая из слоев рыхлых пород, которые оседают вслед за поверхностью толщи крепких пород, как пластически деформиру­ ющееся покрытие, образуя впадину корытообразной формы (табл. 3).

2.2.

Вертикальные сдвижения

идеформации массива горных пород

Вслоях пород непосредственной и основной кровли, подверженных воздей­

ствию высокого давления над добычным забоем, уже дри незначительном их сдвижении быстро возникают напряжения, превышающие предел упру­ гости (см. рис. 7), и поэтому в этой области преобладает упруго-пластическое деформирование породных слоев, под которым понимается упругий прогиб консолыю зависших или находяшихся под действием сил трения отдельных участков слоя горных пород с последующим отрывом и скольжением отдельных породных блоков по тектоническим или заново образовавшимся поверхно­ стям разрыва. Последующие обрушения происходят в виде последовательного отрыва зависающих на расстоянии до 30 м позади движущегося забоя участков непосредственной кровли и внезапной посадки пород основной кровли [791. Отрыв породных блоков непосредственной кровли происходит по трещинам разрыва (при изгибе) или среза, в зависимости от того, будет ли раньше достигнут предел прочности на растяжение при изгибе (на верхней поверх­ ности слоя) или предел прочности на сдвиг в зоне сжатия (рис. 20). В по­ следнем случае слой пород кровли или срезается по нормали к напластованию над жесткой опорой, которой является линия фронта очистного забоя, или, если породы кровли могут смещаться к выработанному пространству параллельно напластованию (скользящий отрыв) и при этом разгружаться, то под действием опережающего опорного давления слой пород кровли разбивается еще впереди забоя на большое число обломков (развальцовывается).

Соотношение упругого изгиба и пластического перемещения блоков за­ висит от изгибной жесткости пород, их склонности к хрупкому разрушению, имеющихся систем трещин и составляющей сжатия горного давления, а также от величины кривизны (т. е. от мощности пласта) и нагрузки (т. е. от глубины разработки). При исследовании состояния кровли в одном гезенке, пройден­ ном через три года после отработки выемочного участка с обрушением кровли, было установлено, что нарушенность породного слоя трещинами в направле­ нии кверху ослабевает и в 15 м над бывшей очистной выработкой видимых признаков нарушенпости уже нет [390]. Обрушение кусков породы размером с булыжник закончилось на высоте, примерно вдвое превышавшей мощность пласта.

В крепких породах средней зоны преобладает упругое деформирование. Слои пород этой зоны искривляются над очистным забоем не так сильно, как непосредственная кровля, и прогибаются без разрывных нарушений. Однако при изгибе этих слоев в них могут происходить смещения за счет скольжения по поверхностям тектонических нарушений и по поверхностям разрыва, обра­ зовавшимся от воздействия ранее проводившихся горных работ. В нижней части средней зоны, т. е. вблизи зоны разрывных деформаций, кривая оседа­ ний слоев горных пород имеет S-образную форму (см. рис. 8), как это пока­ зали измерения оседаний кровли в штреке, пройденном в 50 м над очистной

выработкой	[418] (рис.	21).	В области перехода от кривизны выпуклости
к кривизне	вогнутости,	т. е.	вблизи точки перегиба кривой над границей

Рис. 20.	виды	разрывных	деформаций
Основные
пород основной		кровли [79]:
а — изгиб;	б — срез; в — сдвиг;		1 — основная

кровля; сложенная крепкими (устойчивыми) по­ родами; 2 — непосредственная кровля; з — пласт крепкого (устойчивого) угля; 4 — отрыв со скольжением

очистной выработки, может происходить расслоение пачки слоев, если слои слабых пород (например глинистого сланца) перекрываются слоями крепких жестких на изгиб пород (например песчаника) и если по поверхностям кон­ тактов легко может произойти разделение этих слоев. Верхние, жесткие на изгиб слои прогибаются в меньшей степени, чем нижние, и между ними могут образоваться пустоты шириной до нескольких миллиметров — так на­ зываемые пустоты Вебера (см. рис. 7), перемещающиеся вместе с подвиганием очистного забоя и вновь закрывающиеся, когда они оказываются уже над выработанным пространством.

В сложенных крепкими породами слоях средней зоны может также про­ исходить сдвиг по поверхностям разрыва природного происхождения. В про­ гибающейся мощной толще слоев горных пород возникают параллельные напластованию сдвигающие напряжения, которые, подобно тому, как это имеет место в балках строительных конструкций, убывают по закону пара­ болы от максимального значения по средней оси пачки слоев до нуля на по­ верхностях раздела, соответствующих краевым поясам балки, стремясь сме­ стить отдельные породные слои один относительно другого и разделить их, как это хорошо можно видеть у концевой опоры прогнувшегося штабеля до­ сок (рис. 22). Как только напряжения сдвига превысят величину сил сцепле­ ния и сил трения на межслоевых контактах, мощная толща слоев распадается на две или более тонких пачек (разрушение сдвига). В некоторых шахтйх наблюдались смещения пород по межслоевым контактам, достигавшие 50 см.

Верхние слои массива горных пород, сложенные песчаными или глини­ стыми породами, а также зона выветривания выходящих на земную поверх­ ность пород угленосной толщи при образовании мульды оседания деформиру­ ются преимущественно неупруго и пластично. Эти слои обладают прочностью на растяжение и следуют за оседающими подстилающими породами, как слой, очень слабо работающий на изгиб. При этом минеральные частицы, слагающие породные слои поверхностной зоны, смещаются одна относительно другой