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

рассматривать целый комплекс разнообразных вопросов, в том числе проветривание выработок, транспортировку полезного ископаемого и пустой породы, безопасность работ, экономику и т.д. Вопросы уменьшения деформаций земной поверхности и расположенных на ней объектов решают методом анализа вари­ антов. С этой целью составляют несколько вариантов календар­ ных планов отработки пластов и для каждого из них производят расчёт деформаций земной поверхности по полной методике. За окончательный принимают тот вариант, при котором достигает­ ся наибольшая взаимная компенсация деформаций земной поверхности в районе подрабатываемого объекта.

Необходимо отметить, что в практике подработки сооруже­ ний редко стремятся к полной компенсации деформаций, так как это чрезвычайно сложно и дорого. Более рациональна частичная компенсация, получаемая при таком ведении очист­ ных работ, когда деформации земной поверхности не превыша­ ют значений, допустимых для подрабатываемого объекта. Задачу решают аналогично рассмотренной выше, но условия в ней менее жесткие: требуется лишь, чтобы деформации в процессе подработки и остаточные деформации в районе объекта не пре­ высили допустимых для него значений.

Контрольные вопросы

1.Дайте определение безопасной и предельной глубины раз­ работки.

2.Что понимают под допустимым и нормативным показате­ лями суммарных деформаций?

3.Какие виды деформаций используются при определении расчетного показателя суммарных деформаций?

4.В чем заключается оценка безопасности подработки объекта?

5.Какие различают виды мер охраны подрабатываемых объектов?

6 . Какие задачи решают горные и конструктивные меры охраны?

7. Какие известны способы построения предохранительных целиков?

8 . Под какие объекты целесообразно строить предохрани­ тельный целик способом перпендикуляров?

9.Достоинства и недостатки отработки угольного пласта способом «парных штреков»?

2.СДВИЖЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД И

ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

2.1 Особенности процесса сдвижения горных пород и земной поверхности на рудных месторождениях

Процесс сдвижения горных пород и земной поверхности под влиянием подземной разработки рудных месторождений имеет более сложные и многообразные формы проявления, чем на угольных месторождениях. Вызвано это разнообразием форм рудных залежей, горно-геологических условий их залегания, широкими пределами изменения размеров рудных тел, слоисто­ сти, трещиноватости и крепости вмещающих пород, примене­ нием различных систем разработки. Характер и значения пара­ метров процесса сдвижения определяются совместным влияни­ ем перечисленных факторов.

По особенностям структурного строения, существенно влияющим на процесс сдвижения горных пород и земной поверхности, рудные месторождения разделяются на два основ­ ных типа: со слоистыми и неслоистыми вмещающими породами.

Слоистые породы — осадочные или сильно рассланцованные метаморфические породы с четко выраженными напласто­ ванием, сланцеватостью и контактами слоев. При слоистом строении вмещающих пород возможно их согласное или нес­ огласное с рудной залежью залегание.

К неслоистым относятся малометаморфизованные извер­ женные породы, а также осадочные, не имеющие слоистости или утратившие ее в результате метаморфизма.

Разработка мощных или крутопадающих рудных залежей со слоистой структурой вмещающих пород системами с обрушени­ ем вызывает интенсивное протекание процесса сдвижения. Как и на угольных месторождениях, сдвижение согласно залегающих пород висячего бока рудной залежи выше зоны беспорядочного обрушения происходит в форме прогиба породных слоев по нор­ мали к напластованию (рис. 2.1). При этом возникает расслоение толщи пород, раскрытие нормально секущих трещин и в зависи­ мости от угла падения рудной залежи —смещение слоёв относи­ тельно друг друга.

При крутом падении рудного тела в результате послойных подвижек на земной поверхности могут образовываться уступы (террасы). Для разработки мощных залежей характерно преобла­ дание таких форм сдвижения пород, как обрушение, образова­ ние трещин и разломов. На земной поверхности образуются тре­ щины с уступами, террасы, воронки и провалы. В краевых частях мульды сдвижения формируются зоны плавных сдвижений зем­ ной поверхности со значительными деформациями.

Формирование в наносах вертикальных трещин и различное оседание блоков, ограниченных этими трещинами, вызывают образование террас. При отсутствии наносов или незначитель­ ной их мощности зона плавных сдвижений может отсутствовать, а углы сдвижения и углы разрывов в этом случае имеют одинако­ вую величину.

Отработка рудных залежей значительных размеров при угле падения более 50°, как правило, сопровождается сдвижением пород лежачего бока в форме расслоения и сползания (сдвига) слоев пород по напластованию, слабым контактам, пропласткам пород или тектоническим нарушениям.

Характерные особенности деформаций горных пород и земной поверхности на рудных месторождениях потребовали введения дополнительных понятий и определений процесса сдвижения.

На земной поверхности выделяют следующие зоны (см. рис. 2 .1 ).

1П /А 7 Ц Ж Щ /

/ г г / г A

/ / / / / Л

ч; " ' < !

Рис. 2.1. Область влияния горных выработок при полном развитии про­ цесса сдвижения: А - общая зона влияния горных выработок на зем­ ную поверхность; Б —зона опасных сдвижений; В —зона плавных сдви­ жений; Г - зона трещин; Д —зона обрушения; Е - зона воронок и про­ валов; 1 - область беспорядочного обрушения; 2 — область крупных трещин и разломов; 3 —область трещин; 4 —область плавных сдви­ жений; 5 —область сдвигов по напластованию; 6 —область плавных сдвижений по напластованию

Зона обрушений и террас — часть мульды сдвижения, где зем­ ная поверхность подверглась сдвижению с образованием воро­ нок, провалов, террас и крупных трещин с раскрытием или сме­ щением краев 0,25 м и более. Эта зона определяется углами обру­ шения, под которыми понимают внешние относительно выра­ ботанного пространства углы, образованные на вертикальных разрезах вкрест простирания и по простиранию рудной залежи (по главным сечениям мульды сдвижения) горизонтальными линиями и линиями, соединяющими границу выработанного пространства с границей зоны обрушения на земной поверхно­ сти. Различают углы обрушения у нижней границы отработки (Р'" — в висячем боку, |у " — в лежачем боку), у верхней границы

отработки — у"' и у границы отработки по простиранию рудной залежи —5'" (рис. 2 .2 ).

Вцентральной частизоны обрушения выделяютпровалыи воронки. Провал — участок земной поверхности, подвергшийся обру­ шению под влиянием подземных горных разработок. Контур провала в плане имеет неправильную вытянутую форму. Прова­ лы на земной поверхности небольших размеров принято назы­

вать воронками.

Первичная воронка — воронка обрушения (провала), образо­ вавшаяся при отработке верхних этажей слепых залежей, до выхода которой земная поверхность ранее не обрушалась. Воронка в плане имеет форму, близкую к окружности.

Вторичная воронка — воронка, образовавшаяся в зоне обру­ шения в результате перепуска в выработанное пространство ранее обрушившихся пород.

б

в

Рис. 2.2. Углы, определяющие границы зон влияния очистных работ на вертикальных разрезах: а — при пологом и наклонном залегании; б — по простиранию; в — при крутом падении залежи

Зона воронкообразования определяется углом воронкообразования V— внешним относительно выработанного пространства углом, образованным на вертикальном разрезе в любом напра­ влении горизонтальной линией и линией, соединяющей грани­ цу выработанного пространства с границей зоны воронок на земной поверхности.

Зона трещин — часть мульды сдвижения, где земная поверх­ ность подверглась сдвижению с образованием видимых трещин.

Граница зоны трещин на земной поверхности строится по углам разрывов или по ближайшим к границам мульды сдвиже­ ния трещинам.

Зона плавных сдвижений — часть мульды сдвижения, где зем­ ная поверхность подверглась сдвижению без разрыва сплошно­ сти.

Зона опасного влияния подземных разработок — часть мульды сдвижения земной поверхности, где возникают дефор­ мации, опасные для зданий, сооружений и природных объектов. Граница зоны опасного влияния на земной поверхности опреде­ ляется углами сдвижения. При разработке рудных месторожде­ ний различают углы сдвижения в коренных породах при полной (Р,..) и неполной (Ри,..) подработке: р и Ри — у нижней границы отработки в висячем боку; р j и р, и — у нижней границы отработ­ ки в лежачем боку; у и уи — у верхней границы отработки; Ô и 6 И

—у границы отработки по простиранию залежи.

Вгорном массиве выделяется предохранительная зона — часть горного массива, расположенная под охраняемым объек­ том, разработка рудных тел в которой допустима с применением горных, конструктивных или одновременно тех и других мер защиты.

Вмещающие рудную залежь неслоистые породы разбиты на отдельные структурные блоки многочисленными системами трещин. Сдвижение происходит преимущественно в форме отрыва, сдвига и обрушения блоков пород в выработанное про­ странство. Зона плавных сдвижений не образуется или получает весьма ограниченное развитие, а деформации в ней не превыша­

ют критических значений. Углы сдвижения р, р [5 6 практически равны углам разрывов P", р,", 5", причем значения этих углов больше, чем у слоистых пород.

Используя в качестве основных классификационных приз­ наков строение толщи, крепость if коэффициент крепости по Протодьяконову) и угол падения вмещающих пород или рудных тел, была составлена классификация рудных месторождений по характеру сдвижения.

По крепости пород месторождения первого типа (слоистые вмещающие породы) разделяются на три группы, имеющие раз­ личный характер и величины углов сдвижения.

Месторождения первой группы (f<5) сложены в основном слабометаморфизованными породами с невысокими проч­ ностными характеристиками. Зависимость углов сдвижения от углов падения слоев пород в этой группе месторождений выра­ жена слабо, а небольшая прочность пород способствует образо­ ванию пологих углов сдвижения. Для месторождений второй группы if » 5—8) характерно наличие хорошо выраженных поверхностей ослабления по напластованиям, контактам слоев и сланцеватости. Анизотропия горного массива и сравнительно невысокая прочность пород создают благоприятные условия для сдвижения подработанных пород в форме прогиба слоев. В этой группе месторождений наиболее заметно проявляется зависимость углов сдвижения от крепости и угла падения слоев пород.

На месторождениях третьей группы if >8) прочностные характеристики по поверхностям ослабления увеличиваются, возможность расслоения толщи пород при подработке уменьша­ ется и условия для сдвижения пород в форме прогиба становятся менее благоприятными. Характерным является зависание слоев пород и увеличение углов сдвижения.

На месторождениях второго типа (неслоистые вмещающие породы) строение и прочностные характеристики массивов крепких пород более однородны и определяются в основном интенсивностью трещиноватости пород.

2.2 Условия обрушения земной поверхности. Углысдвижения и углы разрывов

При разработке слепых залежей (гнезд, карманов, штоков и др.), не имеющих выхода на земную поверхность и залегающих в крепких породах, сдвижение горных пород может ограничиться поверхностью зоны обрушения в виде свода в непосредственной кровле без каких-либо изменений положения вышележащих слоев. Если верхняя часть свода достигает выветрелых пород или наносов, то происходит их обрушение с образованием на земной поверхности воронок и провалов.

Из всех форм проявления процесса сдвижения горных пород на земной поверхности наибольшую опасность предста­ вляют внезапно образующиеся воронки обрушения.

Первичные воронки образуются над слепыми залежами, а также при отработке верхнего этажа залежей, выходящих под наносы. Разработка крутопадающих залежей на глубине до 200 м, как правило, сопровождается появлением воронки обрушения; на глубине 200-500м вероятность образования воронок обруше­ ния снижается в два —три раза, а с переходом горных работ на более глубокие горизонты первичные воронки на земную поверхность не выходят.

В условиях крутого падения и большой мощности разраба­ тываемых рудных залежей, когда обеспечивается перепуск обру­ шенных пород с верхних горизонтов на нижние, на земной поверхности образуются вторичные воронки. Образование вто­ ричных воронок возможно за счет массового выпуска руды и выхода на поверхность воронки выпуска.

Устойчивое состояние земной поверхности сохраняется при условии

300м

где Н —вертикальное расстояние от верхней границы вы ра­ ботки до контакта коренных пород с наносами, м;

М—эффективная мощность залежи при применении систем

сзакладкой выработанного пространства, м;

L —горизонтальная проекция залежи на разрезе вкрест про­ стирания, м.

По данным А. Г. Акимова, провалы и воронки при разработ­ ке слепых залежей образуются, если удовлетворяется условие

а высота зоны обруш ения h{, не достигающей земной поверх­ ности, может быть определена по формуле:

где L - размер залежи по простиранию,м, L < L ';kM—сцепле­ ние пород в массиве, т/м 2; у — плотность п о р о д , т/м 3.

Обрушение земной поверхности наблюдается при опреде­ ленном соотношении глубины разработок Н и размера L (проле­ та) незакрепленной выработки. По данным А. Г. Щадрина, для средних условий Кривбасса if —8 —10) обрушение поверхности происходит при H/L < 3. С увеличением крепости пород if — 12 — 14) устойчивость пролета возрастает и условие выхода обрушений на земную поверхность имеет вид H/L < 2.

Последовательная отработка пластообразной залежи без оста­ вления целиков значительных размеров в выработанном про­ странстве способствует образованию общей зоны сдвижения пород висячего бока и практически исключает появление воронок на поверхности. И, наоборот, оставление целиков в выработанном пространстве может привести к сложным деформациям подрабо­ танных пород и обрушению земной поверхности. К числу основных параметров процесса сдвижения относятся углы сдвижения и разрывов, по которым рассчитывают предохрани­ тельные целики и определяют зону опасных сдвижений при под­ земной разработке рудных месторождений системами с обрушени­ ем. Углы разрывов принимают на 5° больше углов сдвижения.

Углы сдвижения при полной подработке земной поверхно­ сти на месторождениях с неизученным процессом сдвижения ВНИМИ рекомендовал определять по следующим формулам:

гдеу^.р — средневзвешенное значение коэффициента крепо­ сти пород;

f nб — коэффициент крепости пород лежачего бока;

а — угол падения рудного тела, принимается в расчетах не более 60° при/ср < 8и не более 65° — при/ср > 8.

Угол сдвижения у принимается равным углу Ô. Сдвижение пород лежачего бока на месторождениях 1 типа при / ср < 8 начинается, когда угол падения залежи составляет не менее 46°. При этом если/ср < 5, то угол сдвижения р L= 45°, п р и ^ р = 5ч- 8 а = 60°, и при/ср > 8, а = 75°, угол сдвижения р j принимается рав­ ным а.

Угол сдвижения в наносах и выветрелых породах принимают равным во всех направлениях. В сухих (необводненных) породах ср = 50°, но не превышает значений углов сдвижения в коренных породах. При мощности слоев рудных тел т >15 м, глубине раз­

Углы падения рудных тел и вмещающих слоистых пород оказывают влияние на величину угла сдвижения р и на характер распределения сдвижений и деформаций в мульде сдвижения. С увеличением угла падения рудных тел величина р уменьшает­ ся, а мульда сдвижения приобретает асимметричную форму. Угол 6 не зависит от углов падения рудных тел и вмещающих пород.