книги / Сдвижение горных пород и земной поверхности под влиянием подземной разработки

мульды сдвижения, т.е. на тот ее участок, на котором остаточные деформации минимальны. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы общий фронт очистных работ под рассма­ триваемыми объектами удовлетворял условиям:

где Z)j и D2 — размеры очистной выработки соответственно вкрест простирания и по простиранию пласта (рис. 1.18); а и b

— расстояния от проекции подрабатываемого объекта на пласт (залежь) соответственно до нижней и верхней границ очистной выработки;

/j и /2 —размеры подрабатываемого объекта вкрест простира­ ния и по простиранию пласта;

А —поправка за счет погрешности определения углов пол­ ных сдвижений;

Н — средняя глубина разработки; а —угол падения пласта (залежи).

Численные значения а и b определяют из выражений:

(iT+0,5^ -tga)-cos(\j/i +<х).

где if/j, \|/2, \|/3 —углы полных сдвижений.

Если погрешность в определении углов полных сдвижений составляет ±5° , то А = 0,1Н.

Создание плоского дна в мульде сдвижения при неболь­ ших глубинах разработки пластов обычно не представляет трудностей, но с ростом глубины осуществление этого меро­ приятия связано со значительным увеличением размеров очистных выработок, что по ряду технических причин не всег-

Рис. 1.18. Расположение подрабатываемого объекта на участке плоско­ го дна мульды сдвижения на разрезах вкрест простирания (а) и по про­ стиранию (б) пласта.

да возможно. В этих случаях плоское дно в мульде сдвижения создают путем соответствующей отработки нескольких лав. Наиболее эффективным в этом отношении является способ парных штреков (рис. 1.19). При этом способе вначале (пря­ мым ходом) отрабатывают лавы, влияние которых на земную поверхность мало ощутимо. Между этими лавами оставляют полосы угля, при выемке которых (обратным ходом) зависание в толще горных пород погашается и на земной поверхности образуется плоское дно мульды.

Рис. 1.19. Определение параметров отработки угольного пласта спосо­ бом парных штреков (а —разрез вкрест простирания пласта, б—план)

Размер очистной выработки, при которой сдвижение гор­ ных пород не достигает земной поверхности, определяют из выражения

с1 = с 4 н ,

где с — коэффициент, зависящий от совокупности свойств толщи горных пород (прочности, слоистости, трещиновато­ сти и т.д.), устанавливают обычно эмпирическим путем. В условиях угольных месторождений значение коэффициента колеблется, как правило, в пределах от 3 до 5.

Иногда размеры очистных выработок, отрабатываемых пря­ мым ходом, целесообразно определять из расчета размещения в выработанном пространстве породы, получаемой при прохожде­ нии штреков. Длины лав /, отрабатываемых обратным ходом, принимают равными 2,5d, но не более 200 м.

Отработка пластов под зданиями и сооружениями способом парных штреков имеет следующие достоинства:

а) при отработке первых лав на земной поверхности не про­ исходит ощутимых деформаций, так как пролеты меньше пре­ дельных, при которых горные работы оказывают заметное влия­ ние на земную поверхность;

б) первые лавы работают независимо друг от друга, вслед­ ствие чего возможно развить большую скорость подвигания очистных забоев;

в) в случае остановки одной из лав, другие лавы могут про­ должать движение без ущерба для подрабатываемых объектов;

г) в связи с тем, что отработку полос между первыми лавами ведут обратным ходом, эти участки пласта детально разведыва­ ются и оконтуриваются первыми лавами, так что их отработка происходит более надежно и ритмично;

ж) период влияния горных работ на здания и сооружения при отработке пластов по этой схеме меньше, чем обычно, что позволяет, используя известные закономерности процесса сдви­ жения, приурочить интенсивную осадку сооружения к наиболее благоприятному для подработки периоду.

К недостаткам этого способа следует отнести большие деформации земной поверхности на границе с плоским дном и бурный характер развития деформаций, что отрицательно ска­ зывается на состоянии некоторых типов сооружений. Устранить указанные недостатки можно путем применения закладки выра­ ботанного пространства при отработке межлавных полос обрат­ ным ходом.

Помимо способа парных штреков плоское дно в мульде сдвижения при больших глубинах разработки пластов можно создать, располагая очистную линию забоя уступами (рис. 1 .2 0 ).

При этом отставание забоев соседних лав друг от друга должно быть таким, чтобы на земной поверхности образовалась одна общая мульда сдвижения, т.е. влияние соседних лав должно про­ являться раньше, чем успеет получить заметное развитие мульда без плоского дна под влиянием одной или группы относительно коротких лав. Значение этого отставания L можно определить из выражения

L = v H B,

где Нв —средняя глубина залегания верхней лавы; v - коэф­ фициент, зависящий от состава толщи пород и скорости подвигания очистного забоя (значения коэффициента коле­ блются, как правило, в пределах 0,4—0,6).

Для создания плоского дна в мульде сдвижения при разра­ ботке пластов уступами размеры целиков между лавами не дол­ жны превышать 0,1Н и 0,2^ ( £ - длина каждой из отрабатывае­ мых лав).

Заметное влияние на состояние зданий оказывает его ориен­ тация по отношению к горным работам. Поскольку поврежде­ ния зданий при прочих равных условиях находятся в прямой зависимости от их длины, следует стремиться, чтобы деформа­ ции земной поверхности в направлении продольной оси здания были минимальными. Это условие выполняется, в частности, в том случае, когда горные работы ведут с таким расчётом, чтобы продольные оси зданий, расположенных диагонально к прости­ ранию, оказывались примерно параллельными линии очистных забоев (см. рис. 1 .2 0 ).

Отработку полезных ископаемых под школами, котельными и другими сооружениями, имеющими значительные перерывы в эксплуатации, надо планировать с таким расчетом, чтобы актив­ ная стадия процесса сдвижения совпадала с перерывами в эксплуатации этих объектов.

В тех случаях, когда обеспечить защиту зданий и сооруже­ ний с помощью рационального проектирования очистных работ и конструктивных мер защиты технически невозможно или эко-

Рис. 1.20. Отработка пласта смежными очистными забоями с заданным опережением

номически невыгодно, применяют способы частичной отработ­ ки запасов.

При отработке пластов (залежей) на неполную мощность tri последнюю вычисляют из выражения

где т —полная рабочая мощность пласта (залежи); [ед ] — зн а ­ чение горизонтальной деформации, допустимое для подраба­ тываемого объекта; [е] - ожидаемые деформации при выемке пласта (залежи) на полную рабочую мощ ность.

При частичной отработке пластов по площади подбирают такие размеры лав D и межлавных целиков d, при которых деформации земной поверхности под рассматриваемым объек­ том не превысят заданных значений. Задачу решают методом последовательного приближения, т.е. вначале принимают ори­ ентировочные значения D и d, а потом расчетом их уточняют. Частичная отработка наиболее эффективна при углах падения пласта менее 30°, глубине разработки более 150 м и относитель­ но прочных породах (асж > 250 кгс/см2). Длину лав при частич­ ной отработке следует принимать не более 0,35Н, а размеры

целиков — не менее 0,12#. При D> 0,35Н влияние отдельной лавы на деформации земной поверхности резко возрастает, а при ^<0 ,1 2 # возможны внезапные разрушения целиков под воздей­ ствием повышенного опорного давления.

В пластах, опасных или угрожаемых по горным ударам или по внезапным выбросам, а также в сложных условиях залегания пластов (свиты крутопадающих пластов, складчатое залегание, наличие тектонических нарушений, весьма слабые боковые породы и пр.) частичная выемка запасов допустима только при выполнении специальных мероприятий, обеспечивающих безо­ пасность ведения горных работ.

Для защиты ответственных сооружений от вредного влия­ ния подземных горных разработок применяют полную заклад­ ку выработанного пространства. В зависимости ог способа доставки породы в выработанное пространство закладка подразделяется в основном на следующие виды: гидравличе­ скую, пневматическую и самотечную. Эффективность закладки зависит от ее вида и материала. Наиболее эффективна гидра­ влическая закладка кварцевым песком, но чаще применяют закладку дроблёной породой, так как вблизи разрабатываемых месторождений не всегда имеются достаточные запасы песка. Шахтную породу для закладки применяют также из соображе­ ний экономики и стремления не создавать на поверхности шахт и рудников терриконы. Для уменьшения сжимаемости заклад­ ки ее часто делают твердеющей, добавляя в шихту (иногда непосредственно перед подачей ее в выработанное простран­ ство) цемент, отходы доменного производства и другие вяжу­ щие вещества.

Из-за высокой стоимости закладочного комплекса закладку целесообразно применять на большой площади. К тому же, чем обширнее закладываемая площадь, тем меньше сказывается влияние активизация сдвижения горных пород от соседних участков, отрабатываемых с обрушением кровли.

Коэффициент допустимой усадки закладки В определяют из выражения

д _ Мэ-Л-А

где тэ = m[e]/s —эффективная мощность пласта, под которой понимается мощность условного пласта, отрабатываемого с обрушением кровли, и эквивалентного по степени влияния на подрабатываемый объект рассматриваемому пласту; hk — сближение кровли с почвой до возведения закладки; при отставании закладки от забоя на м и при отсутствии дан ­ ных наблюдений hk принимается равным 0,15m \ h n — непол­ нота закладки (среднее расстояние от верха закладочного мас­ сива до кровли выработки), определяемая по опы тным дан ­ ным; в зависимости от вида и технологии закладки она коле­ блется от нескольких сантиметров до 2—3 дм. По вы численно­ му значению коэффициента усадки В выбирают вид и матери­ ал закладки (табл. 1.5).

Существенного снижения повреждений подрабатываемых объектов можно добиться изменением знака и направления развития деформаций, так как многие сооружения хорошо пере­ носят сжатия и плохо растяжения (и наоборот) или имеют в раз­ личных направлениях равную степень сопротивления деформа­ циям. Так, каменные здания хорошо переносят сжатия и плохо растяжения. В направлении короткой стороны сопротивля­ емость их деформациям значительно выше, чем в направлении

Таблица 1.5

Зависимость коэффициентов усадки В от вида и материала закладки

длинной стороны, и т.д. Поэтому ведение горных работ с учетом конструктивных особенностей зданий и ориентирования последних относительно простирания пластов нередко обеспе­ чивает нормальную эксплуатации подрабатываемых объектов, без дополнительных затрат.

Под зданиями и сооружениями, расположенными продоль­ ной осью вкрест простирания пластов, горные работы следует вести так, чтобы эти конструкции оказались в средней части мульды сдвижения, вблизи главного сечения по простиранию.

Под зданиями и сооружениями, ориентированными длин­ ной стороной по простиранию, очистные выработки целесооб­ разно располагать так, чтобы подрабатываемые объекты находи­ лись на краю мульды сдвижения.

Эффективным средством снижения деформаций является проведение компенсационных траншей вблизи подрабатывае­ мых сооружений. Траншеи проводятся обычно шириной 5070 см и глубиной на 20-30 см ниже подошвы фундамента подра­ батываемого здания. Для предохранения стенок от обрушения траншеи заполняют коксовой мелочью с гранулированным шла­ ком или смесью стружек с грунтом. Сверху, для предотвращения выветривания стружки, траншея присыпается тонким слоем грунта. Иногда стенки траншеи крепятся с помощью компенса­ торов, изготовленных из гофрированного оцинкованного листо­ вого железа. Схематически изменение горизонтальных деформа­ ций за счет компенсационных траншей показано на рис. 1 .2 1 , из которого видно, как на фоне плавного характера деформаций появляются четко выраженные флуктуации, сопровождающиеся концентрацией деформаций в районе траншей и разгрузкой под зданием.

Эффективность траншей во многом зависит от их глубины. Поэтому в последнее время стали получать распространение глу­ бокие щели, создаваемые путем бурения специальных скважин и производства в них взрывных работ.

Существенное влияние на деформации земной поверхности и сооружений при разработке свит пластов или жил оказывают

Рис. 1.21. Влияние компенсационных траншей на характер деформа­ ций земной поверхности и сооружений : 1 — подрабатываемое соору­ жение; 2 — компенсационные траншеи; 3 — график горизонтальных деформаций в обычных условиях; 4 - график горизонтальных дефор­ маций при наличии траншей

взаимное положение горных выработок в разных пластах, поря­ док и сроки отработки пластов. Так, при расположении границ очистных выработок в сближенных пластах (жилах) примерно в одной вертикальной плоскости происходит однозначное нало­ жение деформаций и сумма их в несколько раз превышает значе­ ния деформаций, возникающих от влияния одного из этих пла­ стов. И наоборот, при соответствующем относительном смеще­ нии границ очистных работ в разных пластах (жилах) происходит полная или частичная взаимная компенсация деформаций раз­ ных знаков, а на отдельных участках подрабатываемой площади суммарные значения деформаций могут оказаться меньше воз­ никающих от влияния каждого из пластов этой свиты. На ука­ занном принципе основано одно из наиболее эффективных гор­ ных мероприятий - гармоническая отработка пластов (жил), т.е. отработка, предусматривающая такое взаимное расположение очистных выработок, при котором деформации земной поверх­ ности в районе подрабатываемого объекта частично или полно­ стью взаимно компенсируются.

Рациональное расположение выработок представляет собой сложную инженерную задачу, при решении которой приходится