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

При горизонтальном залегании отрабатываемого угольного пласта (рудной залежи) и на вертикальных разрезах по его про­ стиранию границы мульды, кривые сдвижений и деформаций располагаются симметрично относительно центра мульды и гра­ ниц выработки. С увеличением угла падения отрабатываемого угольного пласта (залежи) возникает асимметрия кривых сдви­ жений и деформаций за счет смещения их центров по падению пласта.

Преобладающей формой сдвижения горных пород над очистными выработками в условиях разработки пологих пластов (залежей) является последовательный прогиб слоев покрываю­ щей толщи. Такая форма сдвижения характерна и для земной поверхности. При крутом падении пласта в направлении вкрест его простирания развиваются деформации сдвига. Выемка кру­ топадающих ( а >45°) пластов на сравнительно небольшой глу­ бине с обрушением пород кровли вызывает на земной поверхно­ сти провалы и террасы.

1.4. Основные параметры процесса сдвижения, их практическое применение

Часть горного массива, подвергшуюся сдвижению под влия­ нием подземных разработок, принято называть областью сдви­ жения горных пород, а участок земной поверхности, располо­ женный в этой области, —мульдой сдвижения.

Максимальные величины сдвижений и деформаций форми­ руются в главных сечениях мульды сдвижения — вертикальных сечениях мульды по простиранию и вкрест простирания пласта, проходящих через точки с максимальными оседаниями земной поверхности. На вертикальных разрезах в главных сечениях мульды определяют все угловые параметры процесса сдвижения.

Границы зоны влияния подземных разработок на земную поверхность определяются граничными углами (|30, у0, <р0 50, рис. 1.4), под которыми подразумевают внешние относительно выработанного пространства углы, образованные горизонталь­ ными линиями и линиями (последовательно проведенными в коренных породах, мезозойских отложениях и наносах), соеди-

Рис. 1.4. Мульда сдвижения земной поверхности и угловые параметры процесса сдвижения: р0, у0, 60, <р0 - граничные углы; р, у, Ô, <р - углы

сдвижения; \j/,, \j/2, \|/3 —углы полных сдвижений; 0 - угол максималь­

ных оседаний; Р", у" —углы разрывов

няющими границу выработки с точками земной поверхности, где наклоны и растяжения не превышают величины 0,5 • 10-3. 1раничные углы используют также при построении целиков под глубокие вертикальные стволы.

Углы сдвижения (р, у, 6) являются одними из основных пара­ метров процесса сдвижения. Значения углов сдвижения исполь­ зуют при определении зоны опасного влияния в мульде сдвиже­ ния земной поверхности и границ целиков, оставляемых для охраны зданий и сооружений.

За границы зоны опасного влияния на земной поверхности принимаются участки, на которых наклон i = 4 • 10‘3, кривизна К = 0,2 • 10‘3 1/м, растяжение s = 2 • 10'3 (при среднем интервале между соседними реперами 15—20 м).

Чтобы определить значения углов сдвижения, необходимо соединить границы выработки с точками на земной поверхно­ сти, удовлетворяющими всем перечисленным условиям. Как и граничные углы, различают углы сдвижения, ограничивающие опасную зону мульды со стороны падения пласта р, у —со сторо­ ны восстания пласта, 5 - по простиранию пласта; углы сдвиже­ ния в наносах —ср. Следует отметить, что углы сдвижения и гра­ ничные углы имеют только технический смысл и их нельзя рас­ сматривать как углы наклона поверхностей, по которым проис­ ходит сдвижение пород.

Углы сдвижения определяются при полной подработке зем­ ной поверхности, которая характеризуется постоянством вели­ чины максимального оседания при увеличении размеров выра­ ботанного пространства. При пологом залегании пластов обра­ зуется плоское дно мульды, а мульда на разрезе имеет тарелкооб­ разную форму (см. рис. 1.3). Неполная подработка земной поверхности проявляется в виде мульды оседания с чашеобраз­ ным дном и изменении величины максимальных оседаний с уве­ личением размеров выработанного пространства.

От формы мульды сдвижения земной поверхности зависит характер распределения величин сдвижений и деформаций в главных ее сечениях. Степень подработки земной поверхности выражается через коэффициент подработанности п — отношение фактического размера выработанного пространства Д к мини­ мальному размеру Д0, при котором наступает полная подработка земной поверхности. Различают коэффициенты подработанно­ сти по падению (восстанию) — п1 и по простиранию пласта — п2’ П\ =Д 1/Д 01и и 2 =Д2/ Д 02.

При полной подработке значения коэффициентов « tH п2 равны или больше единицы. В последнем случае во всех расчетах значения этих коэффициентов принимаются равными единице.

Оценка степени подработанности земной поверхности на любом этапе процесса сдвижения является необходимым и важ­ ным моментом, позволяющим правильно и своевременно осу­ ществлять выбор мер по снижению вредного воздействия про­ цесса сдвижения на объекты, расположенные в зоне влияния подземных разработок.

Углы полных сдвижений (\у] - по падению, у 2 - по восста­ нию, \|/3 —по простиранию пласта) - внутренние относительно выработанного пространстве углы, образованные плоскостью угольного пласта и линией, соединяющей границы выработки с границами плоского дна мульды сдвижения. На практике углы полных сдвижений используются для определения в толще пород и на земной поверхности зоны полной подработки.

При отсутствии плоского дна в мульде сдвижения (неполная подработка) местоположение точки с максимальным оседанием земной поверхности определяется углом максимального оседания 0, который образовывается со стороны падения пласта горизон­ тальной линией и линией, соединяющей середину выработки с точкой максимального оседания (см. рис. 1.4).

В расчетах величин сдвижений в деформаций земной поверхности учитывается длина полумульды — расстояние в главном сечении на разрезе вкрест простирания (Lv Ь2) или по простиранию (Х3) между границей мульды и точкой пересечения с земной поверхностью линии, проведенной под углом макси­ мального оседания (при неполной подработке) или под углом полных сдвижений (при полной подработке). Участок плоского дна при расчетах в длину полумульды не включается.

Выемка угля под водными объектами (реки, каналы, водо­ емы, водоносные горизонты и т.д.) осуществляется с выполнени­ ем мер, обеспечивающих как допустимые водопритоки в горные выработки, так и охрану самих водных объектов от вредных последствий подработки. В пределах зоны опасного влияния подземных разработок на земной поверхности могут образовы­ ваться трещины, которые необходимо учитывать при определе­ нии зоны водопроводящих трещин под подрабатываемым вод­

ным объектом или при оставлении предохранительного целика под ним. Внешние границы зоны трещин в мульде сдвижения оконтуриваются углами разрывов, под которыми понимают внешние относительно выработанного пространства углы, обра­ зованные горизонтальными линиями и линиями, соединяющи­ ми границу выработки с ближайшей к границе мульды сдвиже­ ния трещиной ф" и у" —на разрезе вкрест простирания и 6" —на разрезе по простиранию пласта).

Для своевременного принятия мер по охране подрабатывае­ мых объектов и установления возможности возведения сооруже­ ний на подработанных площадях необходимо знать особенности процесса сдвижения во времени. Сдвижение горных пород и земной поверхности в зоне влияния подземных разработок про­ текает неравномерно во времени и характеризуется общей про­ должительностью процесса сдвижения и периодом опасных деформаций.

Под общей продолжительностью процесса сдвижения пони­ мается период, в течение которого земная поверхность над выра­ ботанным пространством находится в стадии сдвижения. Общая продолжительность процесса сдвижения Т (мес.) от влияния отдельной очистной выработки определяется следующим обра­ зом:

—при подвигании очистного забоя по простиранию пласта:

—при подвигании очистного забоя по падению пласта:

- при подвигании очистного забоя по восстанию пласта:

где H — глубина залегания пласта под рассматриваемой точкой; а —угол падения пласта; Кт—коэффициент, зависящий от сред­ ней скорости подвигания очистного забоя С и средней глубины горных работ (Кт= 1,1-7-2,0).

Период опасных деформаций земной поверхности предста­ вляет собой период активной стадии процесса сдвижения, когда скорость оседаний превышает 30 мм в месяц для наклонных и крутопадающих пластов и 50 мм —для пологих пластов. Подра­ батываемые объекты претерпевают наиболее значительные деформации именно в этот период.

Период опасных деформаций (/) определяется в тех случаях, когда горные работы ведутся выше безопасной глубины разра­ ботки:

t = 0,65Т; при Я до 300 м; t = 0,55Т; при Н= 500 м.

За начало процесса сдвижения точки земной поверхности принимается дата, на которую оседание точки достигает 15 мм, за окончание процесса сдвижения принимается дата, после которой суммарные оседания на протяжении 6 месяцев не пре­ вышают 10 % от максимальных, но не более 30 мм.

За начало процесса сдвижения точки земной поверхности впереди движущегося забоя принимается дата, на которую рас­ стояние в плане от забоя до этой точки составляет t\ =HcpctgbQ, а за начало периода опасных деформаций—дата, на которую рас­ стояние в плане от забоя до точки составляет #2 = Hcpctgb.

При разработке свит пластов общая продолжительность процесса сдвижения определяется из выражения T = кТ0, где Г0 —время разработки всех пластов свиты в зоне влияния на рас­ сматриваемую точку.

Контрольные вопросы

1.Дайте определение мульды сдвижения земной поверхно­ сти.

2.Назовите вертикальные и горизонтальные деформации. За счет чего они образуются?

3.Перечислите угловые параметры процесса сдвижения. Определите практическое применение каждого из них.

4.Как определить степень подработанности земной поверх­ ности по форме мульды сдвижения?

5.В какой период процесса сдвижения происходят наиболее значимые деформации подрабатываемых объектов?

1.5. Факторы, влияющие на характер сдвижения горных пород и земной поверхности

На процесс сдвижения горных пород оказывают влияние природные и технологические факторы, определяющие параме­ тры сдвижения, размеры и местоположение зон деформаций в подрабатываемой толще пород и на земной поверхности. К числу природных (естественных) факторов относятся: геологи­ ческое строение толщи, физико-механические свойства пород, угол падения пород и глубина залегания пласта (залежи), текто­ ническая нарушенность месторождения, гидрогеологические условия, рельеф местности и т.д.

Технологические (искусственные) факторы, оказывающие влияние на характер сдвижения, создаются в процессе разработ­ ки месторождения и могут быть изменены. Особенно значима роль системы разработки. В одних случаях система разработки обеспечивает плавное сдвижение горных пород и земной поверх­ ности, в других —земная поверхность сдвигается о нарушением сплошности (провалы, террасы а т.д.) и, наконец, в третьих слу­ чаях процесс сдвижения пород не доходит до земной поверхно­ сти. Рассмотрим вначале характер влияния наиболее важных факторов.

Вынимаемая мощность пласта (залежи) — один из главных факторов, определяющих величины сдвижений и деформаций слоев пород и земной поверхности. С увеличением вынимаемой мощности возрастает высота зоны обрушения в подработанной толще пород, повышается вероятность образования на поверх­ ности земли провалов, уступов, трещин. Чем больше одновре­ менно вынимаемая мощность залежи, тем интенсивнее протека­ ет процесс сдвижения с созданием неблагоприятных условий для подрабатываемых зданий и сооружений.

Глубина горных разработок относится к числу основных природных факторов, определяющих размеры мульды сдвиже­ ния на земной поверхности, характер и степень ее деформиро­ вания. С увеличением глубины разработки сдвижения и деформации земной поверхности уменьшаются, процесс сдви­ жения протекает более плавно и общая продолжительность его увеличивается. Так, изменение глубины разработки со 100 до 1000 м вызывает увеличение продолжительности процесса сдвижения с 5 до 44 мес.

Физико-механические свойства, мощность и чередуемость слоев горных пород оказывают существенное влияние на все параметры и характер процесса сдвижения. По физико-механи­ ческим свойствам все породы С. Г. Авершин разделяет на четыре группы: I) твердые, плотные; 2) пластичные; 3) сыпучие; 4) плы­ вуны.

Породы первой группы, характерные для рудных месторож­ дений (граниты, кварциты и др.) и месторождений каменного угля (известняки, песчаники), обычно обрушаются значитель­ ными массами в короткий промежуток времени после подработ­ ки их на большой площади. Породы второй группы, например глины, глинистые сланцы, способствуют пластичному изгибу подработанных слоев и увеличению площади мульды сдвиже­ ния. Сдвижение пород третьей и четвертой групп принимает форму течения.

Чередуемость и мощность слоев пород в толще сказываются на проявлении процесса сдвижения на земной поверхности. Твердые породы непосредственной кровли залежи при обрушении не вызо­ вут провалов на земной поверхности, если выше залегают мощные слои пластичных пород, и, наоборот, крепкие породы, залегающие в непосредственной близости от земной поверхности, способству­ ют появлению на ней трещин. Слои крепких пород могут зависать и тогда процесс сдвижения не проявляется на земной поверхности. При сдвижении сыпучих пород на земной поверхности, как прави­ ло, возникают провалы, а породы четвертой группы способствуют выполаживанию граничных углов и углов сдвижения.

Угол падения залежи и покрывающих пород является одним из основных факторов, определяющих параметры и характер сдви­ жения горных пород и земной поверхности. В «Правилах охраны сооружений ...» приведены значения углов сдвижения в зависи­ мости от угла падения пласта (залежи).

Роль угла падения отрабатываемой залежи далеко не ограни­ чивается его влиянием на углы сдвижения. Характер процесса сдвижения пород и земной поверхности изменяется при разных углах падения. При крутом падении пластов возникают дефор­ мации сдвига, получают развитие горизонтальные сдвижения, превышающие по величине вертикальные, а земная поверхность деформируется с разрывом сплошности (провалы, террасы, тре­ щины); при наклонном и крутом падении пластов кривые сдви­ жений и деформаций асимметричны относительно границ и центра очистной выработки и смещены в направлении падения. В случае отработки пласта горизонтального залегания образует­ ся мульда сдвижения, симметричная относительно границ выра­ ботки с центром над серединой выработанного пространства.

Тектонические нарушения являются плоскостями ослабле­ ния, по которым происходит смещение отдельных слоев пород, вызывая изменения значений углов сдвижения и граничных углов. На земной поверхности в районе выхода дизъюнктивных нарушений могут образовываться трещины и уступы.

Рельеф местности и гидрогеологические условия сказываются на характере сдвижения земной поверхности, особенно при подработке крутых склонов в горной местности, где, как прави­ ло, возникают оползневые явления.

Наличие и мощность наносов. Значительная (более 5 м) мощ ­ ность наносов оказывает благоприятное влияние на характер сдвижения земной поверхности, сглаживая неравномерности сдвижений, деформаций и уменьшая вероятность появления трещин. Граничные углы и углы сдвижения в наносах выполаживаются.

Способ управления горным давлением является основным технологическим фактором, определяющим величины и харак­