книги / Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках

При длине зданий от 10 до 60 м величины допустимых гори­ зонтальных деформаций могут изменяться при этом от 1,2 до 8,0 мм/м в зависимости от значений коэффициентов qi и </г-

Сложная конфигурация здания примерно на 10 % уменьшает величину допустимой деформации. В этом случае значение коэф­ фициента <7з=1.1 для зданий сложной конфигурации. Такое же значение можно принять для коэффициента q4 при наличии в под­ рабатываемом здании свободных пролетов более 15 м.

Техническое состояние зданий учитывается коэффициентом <75,

2 <ть 2 02» 2 о3 — суммарные величины раскрытия трещин по пери­ метру здания, определяемые по трем горизонтальным сечениям (на

новании данных работ [30, 35] после замены графической зависи­ мости аналитической между износом стен и показателем удель­ ного раскрытия трещин.

Значение еДОп, полученное по формуле (4.22) с учетом коэф­ фициента q, во всех случаях принимается не менее 1 мм/м.

Таким образом, в результате статистической обработки много­ численных случаев подработки гражданских зданий установлены величины допустимых горизонтальных деформаций земной поверх­ ности в зависимости от основных размеров зданий, их назначения, конфигурации, износа стен и других факторов, влияющих на вели­ чину и характер повреждений элементов строительных конструк­ ций.

4.8. ДОПУСТИМЫЕ ВЕРТИКАЛЬНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ

ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ПОДРАБОТКЕ ЗДАНИЙ

При решении практических задач, связанных с установлением допустимых условий подработки зданий, обычно пользуются де­ формациями земной поверхности, получаемыми в результате рас­ чета. Поэтому’ более целесообразно установить допустимые значе­ ния расчетных радиусов кривизны в зависимости от основных раз­ меров, конструктивных особенностей, технического состояния ндр.

По результатам обобщения опыта подработки зданий с допус­ тимыми повреждениями представляется возможным установить зависимости для зданий, примерно одинаковых по конструкции, техническому состоянию и т. д. Допустимый радиус кривизны за­ висит не только от протяженности изгибаемого участка (длины зданий), но и от высоты здания. Поэтому устанавливалась зави­

симость между кривизной основания Кдоп, длиной здания L и вы­ сотой Н3.

Зависимость между допустимой кривизной и отношением L /#3 нелинейна, аналитическое ее выражение имеет следующий вид:

К'доп = bKH3/L-\-Ck,

где bK, Ck — постоянные коэффициенты уравнения.

Значения этих коэффициентов определены по способу наимень­ ших квадратов и равны: Ьц = 0,33, С* = 0,04.

Тогда:

Расчетный радиус кривизны основания является радиусом рас­ четной кривой оседания в каждой ее точке. Фактический, или, как принято называть, измеренный, радиус кривизны соответствует оп­ ределенному участку земной поверхности, равному средней длине двух смежных интервалов между реперами профильной линии. Фактический (измеренный) радиус кривизны, как отмечалось вы­ ше, может в несколько раз отличаться от расчетного.

Радиусы кривизны, вычисленные по прогибам-перегибам [фор­ мула (4.14)], будут в меньшей степени отличаться от расчетных, как об этом указывалось выше.

Если длина изгибаемого участка при вычислении радиусов че­ рез прогиб (перегиб) соответствует двойному расстоянию между реперами профильных линий, то разница между фактическими и расчетными радиусами кривизны будет минимальной. Расстояния между реперами профильных линий при проведении натурных на­ блюдений находятся в пределах 10—20 м, следовательно, наибо­ лее рациональная длина изгибаемого участка для вычисления ра­ диусов через прогиб (перегиб) составляет 20—40 м. В этом слу­ чае должны быть минимальные расхождения между значениями допустимых радиусов кривизны основания, вычисленных по ре­ зультатам инструментальных наблюдений [формула (4.14)] и по­ лученных по расчетным деформациям земной поверхности [фор­ мула (4.24)].

Из изложенного следует, что за допустимые значения радиу­ сов кривизны или кривизны основания (земной поверхности) це­ лесообразно принимать средние их значения, вычисленные по фор­ мулам (4.14) и (4.24). Принятые значения допустимых радиусов кривизны и кривизны основания приведены в табл. 4.7 для зда­ ний, примерно одинаковых по конструкции, техническому состоя­ нию и т. д.

Приведенные в таблице значения допустимых радиусов кри­ визны и кривизны земной поверхности изображены в виде графи­

Величина коэффициента 0,6 в формуле (4.25) соответствует средним значениям факторов, влияющих на величину и характер повреждений подрабатываемых зданий.

При применении значений влияющих факторов изменятся и ве­ личины допустимых значений радиусов кривизны и кривизны зем­ ной поверхности.

к-Ю'?!/м

Рис. 4.3. Графики изменения допустимых величии осредненных радиусов кривизны и кривизны земной поверхности в зависимо­

сти от основных размеров здания

По аналогии с допустимыми горизонтальными деформациями общие формулы для определения допустимых значений радиусов кривизны или кривизны земной поверхности будут иметь следую­ щий вид:

где Raon — допустимый радиус кривизны земной поверхности, км; КЛоп— кривизна, 10-3 1/м.

Для зданий, различных по размерам, назначению, конфигура­ ции, износу стен, величины /? ДОп и / ( ДОп изменяются в следующих пределах: радиусы кривизны — от 2 до 20 км, кривизна — от 0,50 до 0,05-10 '3 1/м.

В результате обобщения и статистической обработки много­ численных случаев подработки зданий установлены величины до­ пустимых радиусов кривизны и кривизны земной поверхности в зависимости от основных размеров зданий, их назначения, конфи­ гурации и других факторов, влияющих на величину и характер повреждений.

4.9. ДОПУСТИМАЯ КРАТНОСТЬ ПОДРАБОТКИ ЗДАНИЙ

Условия безопасной подработки зданий одиночным пластом или первым пластом свиты определяются безопасной глубиной разработки #б, устанавливаемой коэффициентом безопасности Кб по допустимым деформациям в зависимости от разряда охраняе­ мого объекта.

Коэффициент безопасности является в данном случае допусти­

Если известны величины допустимых деформаций земной по­ верхности для зданий, то представляется возможным расчетным путем определять допустимые кратности подработки (коэффици­ енты безопасности).

Методы расчета деформаций земной поверхности позволяют получать их величины в зависимости от многих горно-геологиче­ ских факторов, основными из них являются глубина разработки, мощность и угол падения пласта.

Формулы упрощенной методики позволяют определять вели­ чины деформаций земной поверхности в зависимости от указанных выше основных горно-геологических факторов.

Для пластов с углами падения до 45° формулы упрощенной методики для вычисления радиусов кривизны и горизонтальных де­ формаций имеют следующий вид:

где Nc — коэффициент влияния свиты пластов;, /(min — минималь­ ная кратность из всей свиты пластов; /?min, emax — соответственно минимальный радиус кривизны (км) и максимальная горизонталь­ ная деформация земной поверхности.

Заменяя в формулах (4.27) и (4.28) значения Rmin и -Вшах до­ пустимыми величинами деформаций земной поверхности /?Д0П й еДОп [формулы (4.22) и (4.26)], представляется возможным опре­ делять расчетным путем допустимые кратности для зданий в за­ висимости от их основных размеров, назначения, конструктивных особенностей и др.

По горизонтальным деформациям земной поверхности

K min= m g V L N cn8.

Принимая Qt =700*7/18, Л7С=1 и /Cmin = К'ДоП, получим

струкцию и другие факторы, влияющие на повреждения подраба­ тываемых зданий при горизонтальных деформациях.

По вертикальным деформациям земной поверхности

ры, назначение, конструкцию и другие факторы, влияющие на по­ вреждения подрабатываемых зданий при вертикальных деформа­ циях.

Для зданий не усложненной конфигурации при отсутствии сво­ бодных пролетов более 15 м коэффициент <7= <7I<72, так как значе­

ния *7з = <?4 = <75 = 1 •

По величине коэффициентов q для зданий различного назна­ чения от одного ДО'пяти этажей по формулам (4.29) и (4.30) оп­ ределены величины коэффициентов Q t и QR для групп зданий А, Б, В, Г различной этажности (табл. 4.8).

Из данных таблицы следует, что с повышением этажности уве­ личивается различие между QR и QE, а также увеличивается жест­ кость зданий, что создает некоторый запас в величинах допусти­ мых деформаций для многоэтажных зданий по сравнению с мало­ этажными.

В связи с этим можно принять средние значения из QR и .QC для соответствующих групп зданий и их этажности при опреде­ лении допустимой кратности подработки.

Средние значения Qcр приведены в табл. 4.8. Тогда допусти­

В табл. 4.9 в качестве примера приведены коэффициенты без­ опасности для жилых зданий (группа В), вычисленных по форму­ ле (4.31).

Поскольку допустимые условия подработки зданий по кратно­ сти устанавливаются приближенно, то принятое возрастание коэф­ фициента <7i с увеличением капитальности и этажности здания яв­

ляется оправданным. Один и тот же характер повреждений в од­ ноэтажных н многоэтажных зданиях или в менее капитальных и более капитальных зданиях воспринимается по-разному. Увеличе­ ние коэффициента q\ с увеличением высоты и капитальности зда-

ния повышает вероятность его нормальной эксплуатации во вре­ мя подработки.

Если исходить из условия прочности и устойчивости конструк­ ций зданий, то увеличение этажности и капитальности приводит к повышению величин допустимых деформаций земной поверхно-

ТАБЛИЦА 4.9

Коэффициенты безопасности (допустимые кратности) подработки при числе этажей

Длина здания м

1 3 4 5

сти. Об этом указывалось в предыдущих параграфах и подтверж­ дено результатами обобщения опыта подработки гражданских зданий. Поэтому при установлении допустимых условий подработ­ ки одноэтажных и многоэтажных зданий необходимо рассматри­ вать их раздельно по условиям прочности (устойчивости) конст­ рукций и по условиям эксплуатации здания.

Для малоэтажных и менее капитальных зданий решающее зна­ чение при подработке имеют прочность и устойчивость конструк­ ций, а для многоэтажных и капитальных зданий — условия их нор­ мальной эксплуатации.

При разработке свиты пластов допустимая кратность, опреде­ ляемая по формуле (4.31), сопоставляется с приведенной крат­ ностью для свиты /С„р, которая определяется отношением мини­ мальной кратности в данной свите к коэффициенту влияния свиты:

К п р = K m i n / N с*

Сравнивая приведенную кратность с допустимой, представля­ ется возможным устанавливать предельную длину и этажность здания, подработка которого является допустимой при разработке свиты пластов:

K np = K m in /N c = Q | Т Г L = [ W ( Q W c ) ] 2.

Эта формула позволяет в первом приближении оценивать угле­ носные площади в отношении застройки зданиями с указанием их размеров, назначения, конструкции и т. д.

Так, например, лри минимальной кратности в свите пластов /Сшы = 350 и коэффициенте влияния свиты Nс=1,7 возможно строи­ тельство однодвухэтажных жилых зданий без защитных строи­ тельных мероприятий протяженностью 42 м, четырехпятиэтаж­ ных зданий длиной 27 м, одноэтажных зданий группы Г с наи­ большим размером в плане 58 м и т. д.

Таким образом, по коэффициенту Q, принимаемому в зависи­ мости от назначения здания, его этажности и конструктивных осо­ бенностей, может быть выбран тип зданий и характер застройки отдельных участков угленосных площадей.

Данная методика оценки застройки угленосных площадей по­ зволяет устанавливать предельные длины отсеков при проектиро­ вании зданий над горными выработками, когда необходимо пред­ усматривать строительные защитные мероприятия.

Подобным образом (решая обратную задачу) могут быть уста­ новлены допустимые условия разработки свиты пластов под суще­ ствующей застройкой.

5. СДВИЖЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД И ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДАХ ДОБЫЧИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

5.1. ВЛИЯНИЕ СДВИЖЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД НА ТЕХНОЛОГИЮ

ВЫЕМКИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Шахтный способ разработки месторождений полезных ископае­ мых связан с применением тяжелого и нередко опасного для лю­ дей подземного труда. С каждым годом потребность во всех ви­ дах минерального сырья возрастает и, чтобы удовлетворить ее, в

разработку вовлекаются все более бедные и глубоко залегающие месторождения. Эксплуатация таких месторождений традиционны­ ми (открытый и подземный) методами является неэкономичной. Связано это с трудностями полно# автоматизации основных про­ цессов добычи: отбойки, погрузки и транспортирования горной массы. Кроме того, традиционные методы не освобождают людей от тяжелого труда, требуют извлечения и перемещения больших объемов пустых пород, для размещения которых приходится ис­ пользовать громадные площади ценных земельных угодий.

Эффективная разработка бедных и глубоко залегающих место­ рождений возможна лишь на основе новых методов добычи, поз­ воляющих вести процесс извлечения полезных ископаемых непо­ средственно на месте их залегания, повысить производительность труда, исключив присутствие людей под землей и трудоемкие опе­ рации по отбойке, доставке и транспортировке горной массы. Ре­ шение названных задач базируется на применении бесшахтных геотехнологнческих методов добычи.

В настоящее время геотехнологнческие методы добычи широко­ го промышленного применения не получили, однако, как отмечал акад. Н. В. Мельников, они станут в ближайшие 10—20 лет осно­ вой технического прогресса при добыче многих полезных иско­ паемых.

Геотехнологнческие методы добычи основаны на переводе по­ лезного ископаемого в подвижное состояние посредством осуще­ ствления на месте его залегания тепловых, массообмениых, хими­

через специальные скважины (вертикальные, наклонные и наклон­ но-горизонтальные), пробуренные с земной поверхности. Подача рабочих агентов (растворители, теплоносители, воздушное дутье н др.) к залежи и отвод полезного ископаемого на поверхность мо­ гут производиться как через одну, так и через несколько скважин. Извлечение полезного ископаемого производится после перевода его из твердого состояния в подвижное (жидкое, газообразное, взвешенное).

Управление процессом-добычи осуществляется с земной по­ верхности путем изменения параметров (расхода, температуры, концентрации и др.), а также мест ввода рабочего агента и отбо­ ра полезного ископаемого. Характер процесса добычи определяет размеры и форму рабочей зоны в разрабатываемой части место­ рождения.

По сущности процесса, лежащего в основе технологии добычи, проф. В. Ж. Аренс [2] выделяет методы, основанные на химиче­ ских процессах (растворение водой, выщелачивание растворами кислот, подземная газификация и др.), на физических процессах (выплавка серы, скважинная гидродобыча и др.) и комбиниро­ ванные методы (выщелачивание металлов в электрических по­ лях, бактериальное выщелачивание). Наиболее развитыми в на­ стоящее время геотехнологическими методами добычи являются

подземное растворение солей, подземная газификация углей и под­ земная выплавка серы.

Одним из главных факторов, оказывающих влияние на техно­ логию подземной разработки полезных ископаемых, является сдвижение горных пород и земной поверхности над выработан­ ным пространством. Не исключается этот фактор и при геотехнологических методах добычи, а при некоторых из них (подземная газификация углей) его влияние на процесс разработки оказыва­ ется еще сильнее, чем при шахтной выемке.

При шахтной добыче полезных ископаемых ожидаемый харак­ тер и параметры процесса сдвижения горных пород над выработ­ ками определяют (вместе с другими факторами) выбор системы разработки (с обрушением кровли, с закладкой выработанного пространства и др.), тип и параметры крепи выработок. Главное внимание при этом уделяется обеспечению безопасного ведения горных работ, полноты извлечения полезного ископаемого, а так­ же сохранности зданий, сооружений, водоемов и других объектов на земной поверхности, попадающих в зону сдвижения.

Геотехнологические методы добычи исключают необходимость ведения работ под землей, а к остальным вопросам добавляются специфические, усиливающие значение фактора сдвижения толщи пород при подземной разработке.

При геотехнологических методах добычи полезных ископаемых породы непосредственной кровли не только сдвигаются, деформи­ руются с разрывом сплошности над выработанным пространст­ вом, но.и изменяют свои механические свойства, химический и ми­ нералогический состав, а в некоторых случаях под воздействием высоких температур и агрегатное состояние.

Так, при подземной газификации углей, прогрессивном методе разработки угольных пластов путем газификации их на месте за­ легания с получением газа определенного состава для энергетиче­ ских или химико-технологических; целей, обрушения горных пород над выгазованным пространством приводят к частичному наруше­ нию герметичности подземных газогенераторов. Как следствие этого, увеличиваются потери дутья (рабочего агента) и газа, теп­ ловые потери в окружающие породы, возникают обходные дутье­ вые потоки, которые могут привести к полному расстройству тех­ нологического процесса. Образование зоны водопроводящнх тре­ щин над подземным газогенератором может вызвать интенсивный приток воды из вышележащих водоносных горизонтов в канал га­ зификации и нарушить процесс газообразования.

В то же время равномерное заполнение выгазованного прост­ ранства обрушенными породами и уплотнение рыхлого зольного остатка в подземном газогенераторе способствуют направленному движению потоков дутья и газа по контакту с реакционной по­ верхностью угольного пласта, стабильности состава газа и более полному выгазовыванию запасов угля. Таким образом, подрабо­ танные породы непосредственной кровли угольных пластов ока­ зывают большое влияние на процесс подземной газификации.

Особенйости сдвижения вышележащих слоев горных пород в значительной степени определяют срок службы эксплуатационных скважин, являющихся основным конструктивным элементом под­ земного газогенератора. Это влияние особенно ощутимо при под­ земной газификации мощных пологих угольных пластов, в кровле которых залегают породы с резко отличающимися физико-меха­ ническими свойствами.

Поскольку вскрытие и подготовку угольного пласта к газифи­ кации посредством скважин и буровых каналов производят зара­ нее по заданной сетке, в процессе выгазовывания угольного пласта под воздействием сдвижения горных пород скважины преждевре­ менно выходят из строя впереди движущегося огневого забоя. Это также приводит к нарушению стабильности технологического про­ цесса и увеличивает затраты на буровые работы за счет бурения скважин-дублеров.

При газификации крутых пластов зависание слоев горных по­ род в процессе сдвижения способствует разрушению призабойной части угольного пласта и увеличению его реакционной поверхно­ сти. Другой особенностью сдвижения горных пород в этих усло­ виях является образование провалов на земной поверхности, ко­ торые возникают при газификации пласта по восстанию и подходе огневого забоя к земной поверхности. Образование провалов на земной поверхности, как правило, сопровождается нарушением технологических режимов газификации, увеличением утечек дутья и газа, частичной разгерметизацией подземного газогенератора. Сдвижение и деформации горных пород при газификации свиты угольных пластов определяют последовательность отработки плас­ тов.

Подземная добыча солей растворением осуществляется путем закачки воды через скважины в пласты соли и последующим от­ сасыванием рассола. При этом образуются пустоты неправильной формы, которые вызывают обрушение пород и сдвижение земной поверхности. Обрушившиеся породы нарушают процесс растворе­ ния соли, изменяя миграцию воды и рассола в нужных направле­ ниях.

При подземной выплавке серы теплоноситель (вода с темпе­ ратурой порядка 160 °С) нагнетается в серосодержащий пласт под давлением. В результате фильтрации его по пласту происхо­ дят разогрев и плавление серы. Расплавленная сера поднимается на земную поверхность по скважинам с помощью сжатого воз­ духа.

По сравнению с подземной газификацией углей и подземным растворением солей сдвижение горных пород оказывает меньшее влияние на процесс подземной выплавки серы, так как в отра­ ботанном пространстве остается пористый известняк. В этом слу­ чае процесс сдвижения носит весьма специфичный характер за счет опускания и поднятия отдельных слоев горных пород и зем­ ной поверхности [25]. Такое поведение горных пород может вы­