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

тер процесса сдвижения. При управлении горным давлением способом обрушения кровли процесс сдвижения по всем линей­ ным и угловым параметрам получает максимальное развитие. Управление горным давлением путём закладки выработанного пространства позволяет значительно, по сравнению с обрушени­ ем пород кровли, уменьшить величины смещений и деформаций в толще пород и на земной поверхности. Закладка выработанно­ го пространства способствует плавному и равномерному сдвиже­ нию всей толщи покрывающих пород, а следовательно, и земной поверхности. Создание бутовых полос также способствует плав­ ному и равномерному сдвижению.

Размеры выработанного пространства и наличие целиков вну­ три него. Размеры выработанного пространства существенно влияют на характер процесса сдвижения (форму и размеры муль­ ды сдвижений, величины сдвижений и деформаций и другие параметры) в условиях неполной подработки. В условиях полной подработки изменение размеров выработанного пространства практически не оказывают влияния на характер и параметры процесса сдвижения.

Целики в выработанном пространстве изменяют характер распределения сдвижений и деформаций в подработанной толще пород. При определённом соотношении размеров цели­ ков и выработанного пространства процесс сдвижения может не проявляться на земной поверхности. Оставление целиков умень­ шенных размеров значительно усложняет характер сдвижения нижних слоев пород, способствует концентрации напряжений над целиками и появлению местных деформаций.

Направлением и скоростью подвигания фронта очистных работ

можно регулировать виды и величины деформаций подрабаты­ ваемых сооружений. Характер воздействий, испытываемых сооружением в зоне влияния подземных горных работ, прежде всего зависит от его положения относительно очистных вырабо­ ток. Если сооружение находится над центральной частью очист­ ной выработки (в центре мульды сдвижения), то оно будет испы­ тывать сжатие; расположение сооружения в краевых частях

от проведения одной выработки можно компенсировать проти­ воположными по знаку деформациями от проведения другой выработки. Учет продолжительности процесса сдвижения от каждой очистной выработки позволяет регулировать его интен­ сивность.

Нарушенность толщи пород ранее произведенными горными работами на других горизонтах или пластах способствует активи­ зации процесса сдвижения при повторных ее подработках. Вели­ чины оседаний и деформаций возрастают, а углы сдвижения уме­ ньшаются по сравнению с первичной подработкой.

1.6. Методы изучения процесса сдвижения Сдвижение горных пород и земной поверхности представля­

ет собой сложный процесс, характер проявления которого зави­ сит от геологических, гидрогеологических, эксплуатационных и других факторов. Зарубежными и отечественными исследовате­ лями (Туалье, Гоно, Шпарре, Ржиха, Файоль, Риттер, Энгессер, Гаусо, М. М. Протодьяконов, В. Д. Слесарев, Г. Н. Кузнецов, П. М. Цимбаревич, К. В. Руппенейт и другие) был предложен ряд гипотез о характере сдвижения горных пород над очистной выработкой: гипотезы «нормалей», «свода», «балок», «сыпучей среды», «ступенчатого опускания» и др.

Несмотря на обширные исследования ни одна из предложен­ ных гипотез не получила общего признания и практического применения в качестве универсальной. Аналитические способы расчета сдвижений и деформаций горных пород и земной поверх­ ности, основанные на этих гипотезах, не обеспечили с достаточ­ ной для инженерной практики точностью решения вопросов гор­ ного дела. Это объясняется прежде всего многообразием и слож­ ностью учета горно-геологических и горнотехнических условий. Вместе с тем следует отметить, что некоторые гипотезы (гипотезы «нормалей», «свода», «балок») полностью или частично нашли свое подтверждение на отдельных стадиях процесса сдвижения в определенных горно-геологических условиях.

В настоящее время изучение процесса сдвижения горных пород и земной поверхности проводится с применением мето­

дов, которые можно подразделить на три группы: натурные наблюдения и измерения, физическое и математическое моде­ лирование, аналитические исследования.

Исследования в натурных условиях являются основными, так как без них невозможно выявить определяющие факторы процесса сдвижения и правильно поставить задачи для аналити­ ческих исследований и моделирования. Исследования в натур­ ных условиях проводятся методами визуальных наблюдений и инструментальных измерений.

Визуальные наблюдения позволяют в сравнительно корот­ кий срок на больших площадях установить формы проявления сдвижения горных пород в подземных выработках, на земной поверхности и получить первые представления, необходимые для выбора методики инструментальных измерений процесса сдвижения и его моделирования. Сочетание визуальных наблю­ дений с инструментальными измерениями позволяет правильно выбрать участки для измерений и установить область примене­ ния их результатов. Натурные наблюдения и измерения приме­ няются для определения параметров, отдельных показателей процесса сдвижения и решения специальных задач.

Инструментальные измерения в натурных условиях имеют перед другими методами исследований то несомненное преиму­ щество, что позволяют определять непосредственно количе­ ственные показатели, характеризующие процесс сдвижения и деформации в конкретных горно-геологических условиях. К числу недостатков этого метода исследований следует отнести значительную трудоемкость измерений, отсутствие возможно­ сти прогнозировать показатели процесса сдвижения до произ­ водства горных работ и строить обобщающие положения. Последнее обстоятельство вызвано тем, что полученные резуль­ таты далеко не всегда могут быть распространены на другие гор­ но-геологические условия.

Физическое и математическое моделирование широко используется при исследовании процесса сдвижения горных пород и земной поверхности.

Для физического моделирования сдвижения толщи, состоя­ щей из упругих, пластичных и рыхлых пород, успешно применя­ ется метод эквивалентных материалов, предложенный в 1936 г. проф. Г. Н. Кузнецовым.

Моделирование на оптически активных материалах приме­ нимо лучше всего для изучения напряжений, упругих и неупру­ гих деформаций вблизи выработки и не применимо для сыпучих пород. Технические возможности центробежного моделирова­ ния на образцах натуры также ограничены изучением напряжен­ но-деформированного состояния пород вблизи контура выра­ ботки. Поэтому изучение сдвижения и деформаций на физиче­ ских моделях осуществляется, как правило, с использованием эквивалентных материалов —искусственных материалов, меха­ нические характеристики которых в принятом геометрическом масштабе моделирования удовлетворяют по отношению к моде­ лируемым горным породам условию:

где стм и сгн , £м и ^я ,УМ и Ун _ напряжения, размеры про­ странства, объемная масса материала соответственно в моде­ ли и в натуре.

Метод эквивалентных материалов позволяет с большей степенью детальности проследить механизм процессов в толще пород при движении забоя выработки, особенно процессов деформирования слоев пород с разрывом сплошности. Модели­ рование на эквивалентных материалах позволяет получать характеристики процесса сдвижения и деформирования пород, которые не дают ни натурные, ни аналитические методы иссле­ дований.

В то же время на моделях невозможно воспроизвести все параметры толщи пород, например микротрещиноватость и мелкоблоковую трещиноватость, поэтому моделирование позволяет вести изучение процесса сдвижения лишь с опреде­ ленной степенью схематизации натуры и механический перенос

(с учетом масштаба моделирования), полученных на модели количественных показателей процесса сдвижения, в натуру не всегда правомерен.

Математическое моделирование применяется для прогнози­ рования напряженно-деформированного состояния подрабо­ танной толщи пород и расположенных в зоне влияния подзем­ ных разработок шахтных стволов, эксплуатационных (при геотехнологических способах разработки) и вспомогательных сква­ жин. Поставленная задача решается с применением численных методов в следующем порядке: построение механической и математической моделей, алгебраизация (дискретизация) зада­ чи, разработка алгоритма, программирование и реализация решений на ЭВМ.

Для построения геомеханической и математической моде­ лей проводят испытания физико-механических свойств горных пород на исследуемом участке. По результатам этих испытаний определяются вид и параметры уравнения состояния горных пород для конкретных условий.

Изучение вопросов сдвижения горных пород и земной поверхности аналитическим методом связано с привлечением обширного математического аппарата и требует большой схема­ тизации процессов сдвижений и деформаций толщи пород. При этом не учитывается влияние трещиноватости, слоистости, нео­ днородности механических свойств пород по разным направле­ ниям, что значительно затрудняет разработку инженерных методов расчета и применение их в конкретных горно-геологи­ ческих условиях. Применение аналитического метода исследо­ ваний с абстрагированием от ряда особенностей строения и прочностных характеристик изучаемой среды позволяет прог­ нозировать общий характер и ориентировочные показатели процесса сдвижений и деформаций толщи пород и земной поверхности, а также способствует созданию теоретических положений процесса.

Таким образом, ни один из перечисленных методов исследо­ ваний не является универсальным для изучения всех вопросов

сдвижений и деформаций горных пород и земной поверхности. Только применение комплексных исследований (натурных, лабораторных и аналитических) позволяет успешно решать поставленные задачи.

1.7. Маркшейдерские наблюдения за сдвижением толщи горных пород

С целью изучения характера и измерения величин сдвижения толщи пород на земной поверхности, в кровлю, подошву и стен­ ки подземной выработки, в скважины, пробуренные с земной поверхности или подземных горизонтов, закладывают реперы.

При наличии на шахте (руднике) нескольких горизонтов для наблюдений за деформациями промежуточной толщи пород используют выработки этих горизонтов, а также вертикальные и наклонные выработки между горизонтами. Проходка специаль­ ных горных выработок для наблюдений связана с дополнитель­ ными затратами и производится в редких случаях. Наиболее пол­ ные сведения о процессе сдвижения горных пород получают при производстве инструментальных измерений на комплексных наблюдательных станциях, заложенных на нескольких горизон­ тах и земной поверхности в одной вертикальной плоскости (рис. 1.6). Профильные линии реперов в кровле подготовитель­ ных и очистных выработок позволяют следить за оседаниями пород кровли в процессе ведения горных работ. Для изучения процесса пучения пород закладывают линии реперов в подошве и в стенках выработки в зависимости от ее расположения отно­ сительно склонного к пучению пласта породы.

В условиях разработки пластов крутого падения для изме­ рения сближений боковых пород (почвы, кровли) применяют парные реперы — реперы, закрепляемые в висячем и лежачем боках или почве и кровле выработки один против другого. По парным реперам с помощью распорных измерительных стоек (колонок) ведут наблюдения за сближением пород по мере развития горных работ.

Для изучения сдвижения толщи горных пород большое рас­ пространение получило применение буровых скважин. Идея

Рис Л.6. Схема комплексной наблюдательной станции в горных выработках, скважинах и на земной поверхности

использования скважин в этих целях была выдвинута и реализо­ вана Д. Н. Оглоблиным, И. А.Турчаниновым П. А. М анукяном, Г. Г. Нестеренко, И. М. Петуховым. В характерные точки масси­ ва бурят с земной поверхности или из горных выработок скважи­ ны, в которых закрепляют так называемые глубинные реперы. Глубинный репер представляет собой металлический патрубок (деревянный клин), который цементируется или прочно раскли­ нивается в скважине (рис. 1.7). От репера по скважине выводит­ ся на поверхность или в горную выработку стальной тросик (про­ волока), на котором репер опускают в скважину. На тросике укрепляется метка, перемещение которой относительно устья скважины в процессе сдвижения пород периодически фиксиру­ ется. Таким образом определяется сдвижение глубинного репера

Рис. 1. 7. Конструкция глубинного механического репера: 1 — металлическая трубка; 2 - шайба (приваривается) ; 3 —деревянная часть репера; 4 —проволока; 5 —скважина.

и, следовательно, того слоя породы, в котором он закреплен. Одновременно с измерениями смещений глубинных реперов относительно устья скважины определяют сдвижение устья относительно репера, расположенного вне зоны сдвижения зем­ ной поверхности. Если устье скважины расположено в пределах зоны возможных обрушений земной поверхности, то устанавли­ вают дополнительный кронштейн за пределами этой зоны и организуют дистанционные наблюдения за оседанием устья скважины с помощью стационарно закрепленной нивелирной рейки. В необходимых случаях осуществляют регистрацию сдви­ жений глубинных реперов относительно устья скважины.

используя взамен противовеса специальные барабаны с пружин­ ным устройством и непрерывной записью смещения реперов во времени.

Для более детального изучения деформационных процессов применяются глубинные реперы без механических связей. Если при механических связях одну скважину можно снарядить 3—4 реперами, то без механических связей реперов в скважине можно разместить значительно больше. Кроме того, такой метод наблюдений за смещениями позволяет производить обсадку скважин в слабых породах для предотвращения деформирования их стенок, часто приводящего к зажатию проволочных или штанговых связей. В таких случаях в качестве реперов применя­ ют источники радиоактивного излучения или просто отрезки металлических труб, а положение репера по мере смещения определяется при помощи специальных датчиков.

При применении радиоактивных реперов положение их в скважине определяется при помощи геофизической аппаратуры, где датчиком является радиометр, регистрирующий интенсив­ ность гамма-излучения репера. Для измерения расстояния используется кабель регистрирующей аппаратуры, пропу­ скаемый через глубиномерную установку или, для более точного определения положения репера, в комплекте с радиометриче­ ской аппаратурой применяется длиномер ДА-2 (радиометр под­ вешивается к стальной проволоке длиномера). Этот метод позво­ ляет проводить наблюдения в скважинах глубиной до 300 м.

Радиоактивный репер представляет собой стальную пулю, в которой помещено радиоактивное вещество (обычно твер­ дое). Для установки репера в скважине применяют скважинный перфоратор, при помощи которого репер заглубляется в породу (прострелом). В одной скважине можно установить большое количество реперов с расстоянием между ними не менее 1 м. После установки радиоактивных реперов в скважине проводят гамма-каротаж с целью определения исходного положения радиоактивных реперов на горизонтах прострела, установления оптимального режима записи каротажной кривой на различ­