книги / Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках

в сосудах; у — коэффициент изменения плотности жидкости при изменении температуры.

ние требует тщательного учета перепадов барометрического дав­ ления и температуры жидкости в сосудах. Кроме того, нужно, чтобы высота столба жидкости в сосудах была минимальной/

Проведенные исследования непосредственно в шахтных усло­ виях показали, что иа точность определения превышения оказы­ вают влияние изменения температуры воды в отдельных частях прибора, на которые особенно действуют изменение скорости дви­ жения вентиляционной струи, а также положение на почве выра­ ботки шланга, соединяющего гидронивелиры.

Исходя из анализа данных измерений, был выбран промежу­ ток времени, равный 10 мин с момента наполнения гидросистемы водой, по истечении которого производили отсчеты. Указанный промежуток времени являлся достаточным для того, чтобы коле­ бания уровня жидкости в сосудах и измерения температуры прак­ тически не оказывали влияния на точность отсчета. Этот проме­ жуток времени выдерживали во время всех измерений.

Кроме измерения температуры на точность измерения превы­ шений гидронивелированием оказывают влияние погрешность со­ единения отдельных частей системы (штанг, нивелира, установки на реперах в почве и подвески в кровле), погрешности соприкос­ новения острия измерительного винта с мениском жидкости, по­ грешности хода винта и нанесений делений на барабанах.

Суммарное влияние погрешностей определялось многократным нивелированием одних и тех же реперов, в процессе которого про­ изводились разъединение, соединение частей системы и повтор­ ное наполнение гидросистемы водой.

Установлено, что превышения определялись со средней квадра­ тической погрешностью +0,011—0,013 мм.

Гидростатическое нивелирование на станции производилось в следующем порядке:

с помощью комплектов штанг на одном уровне устанавлива­ лись нивелиры в вертикальное положение;

подсоединялся резиновый шланг, наполненный водой, и через нивелиры наливалась вода до нужного уровня;

через 10 мин брались отсчеты по шкале, счетчику и барабану микрометренного винта, острие которого приводилось в соприкос­ новение с жидкостью;

после взятия серии отсчетов (3—4) снова доливалась вода и вновь брались отсчеты.

Последняя операция позволяла контролировать работу гидро­

системы.

В журнале нивелирования для каждого репера записываются номера нивелиров, штанг и последовательность их соединения. Принятого порядка соединения необходимо придерживаться в по­ следующих измерениях смещений реперов.

Вычисление отметок реперов произво­ дится по формуле

Считалось, что величина сближения этих реперов определяет де­ формационную способность целика.

Кровля камер на экспериментальном участке закреплена двух­ метровыми железобетонными анкерами. Поэтому для исследова­ ния поведения непосредственной кровли при придании целикам искусственной податливости реперы в кровле закладывались пара­ ми: один в закрепленном слое на глубине 1,5 м, другой — выше этого слоя на глубине 4 м. Всего на экспериментальном участке было заложено 46 реперов, из них 16 реперов — в почве.

Измерение абсолютных величин смещения реперов производи­ лось гидростатическим нивелированием.

Опорный репер, который был принят за неподвижный, распо­ лагался вне зоны влияния работ в почве лебедочной камеры.

Поперечные деформации целиков измерялись как в процессе создания податливости, так и после с помощью реперов, заложен­ ных в пробуренных в целиках горизонтальных скважин.

Измерения проводились в целиках 3, 4, 5. Измерительным уст­ ройством служил индикатор часового типа с ценой деления 0,01 мм.

6.7. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЦЕЛИКОВ, КРОВЛИ

И ПОЧВЫ КАМЕР ПРИ СОЗДАНИИ ИСКУССТВЕННОЙ ПОДАТЛИВОСТИ И ПОСЛЕ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

К началу эксперимента процесс деформации на участке стаби­ лизировался, о чем свидетельствуют измерения деформаций кров­ ли и почвы камер, проведенные в течение 2 мес. Среднее смеще­ ние реперов кровли в непосредственной близости от целика за это время составило 0,2 мм. Смещений реперов в почве не наблюда­ лось.

После разбуривания скважинами поперечного сечения целиков 3, 4, 5, 9, 10, 23 измерены смещения реперов кровли камер, кото­ рые составили в среднем около 0,1 мм. Просмотром скважин при­ бором РВП-451 разрушений межскважинных промежутков не об­ наружено. Таким образом, при измеренных средних вертикальных напряжениях в целиках 3, 4, 5, равных 25 МПа, ослабление пло­ щади поперечного сечения их на 50 % недостаточно для разруше­ ния межскважинных целичков, работающих в режиме одноосного сжатия и сложенных доломитизированными известняками, имею­ щими средний предел прочности при одноосном сжатии 164 МПа.

Целики 21 и 22 разбуривались скважинами одновременно в по­ следнюю очередь. Скважины бурились последовательно со сто­ роны восстания в направлении простирания рудного тела.

В целике 21 видимых деформаций межскважинных перемычек после окончания бурения не произошло.

Совсем иная картина наблюдалась в целике 22. Деформация скважин в нем началась после разбуривания его на 2/3 ширины. Вначале наблюдалось шелушение стенок скважин. Затем от сква­ жин отделялись криволинейные пластинки, а потом уже наступа­ ло хрупкое разрушение целиков. Просмотр скважин показал, что такой процесс разрушения происходил по всему сечению целика и начался со стороны висячего бока. Через 35 дней после оконча­

жинах происходило отслаивание пластинок и шелушение стенок скважин.

Измерение смещений всех реперов на экспериментальном уча­ стке, произведенное в это время, показало, что в целике 22 про-

изошло уменьшение диаметра ослабляющих скважин по нормали к напластованию и составило около 9 мм. Такую же величину де­ формаций показали реперы, заложенные в кровле и почве це­ лика. Причем поднятие почвы составило около 7 мм, которое про­ изошло из-за уменьшения величины давления на почву через меж­ камерный целик. В результате произошло упругое восстановление объема пород известняков, обладающих высокими упругими свой­ ствами.

На экспериментальном участке произошло перераспределение напряжений на значительном расстоянии, которое было отмечено гидростатическим нивелированием.

Как показали наблюдения, значительное поднятие почвы во­ круг целика 22 вызвало сложную картину деформаций почвы на экспериментальном участке. Так, в камере 5 наблюдалось повсе­ местное опускание реперов в почве, равное в среднем 0,3 мм.

В камере 6 кроме поднятия почвы произошло опускание реперов е

иж. Максимальный прогиб кровли составил 0,6 мм (реперы 16, 17). Причем расслоения кровли по глубине не наблюдалось.

Увеличение нагрузки на целик 21 вызвало деформацию репера в кровле, равную 0,5 мм. Наблюдалось шелушение стенок скважин по всей их длине со стороны висячего бока до 1/3 ширины целика.

Линия целиков 2, 3, 4, 5 являлась как бы линией раздела опус­ кания и поднятия почвы (см. рис. 6.1).

Отслоений кровли и разрушения стенок целиков за это время

не наблюдалось.

Разрушение взрывом межскважинных перемычек вначале про­ извели в целиках 9, 10, площадь ослабления которых составила соответственно 75 и 70 % их поперечного сечения. Измеренные через двое суток деформации показали, что абсолютная величина деформации целиков составила 1,54 и 0,96 мм. При этом почва поднялась на 0,14 и 0,22 мм.

В целиках 3, 4, 5, 21, 23 разрушение перемычек произвели через две недели и на следующий день начали измерение дефор­ маций всех реперов экспериментального участка.

За время проведения эксперимента и после не наблюдалось поперечных деформаций целиков 3, 4, 5, в которых были заложе­ ны наблюдательные станции. Это говорит о том, что монолитность целика при придании ему искусственной податливости не нару­ шается.

Наблюдения показали, что в течение небольшого промежутка времени (двух суток) после разрушения межскважинных перемы­ чек взрывом деформации целиков и кровли достигли величины 40 % от общей деформации, а за последние 8 мес составили 30 % деформации, отмеченной в конце эксперимента.

Исследования показали, что непосредственная кровля до глу­ бины 4 м деформируется плавно без видимых нарушений совмест­ но с целиками. Деформация одного целика вызывает перераспре­ деление давления на значительной площади. При искусственной податливости происходит поднятие почвы.

Таким образом, в результате проведенных исследований уста­ новлена принципиальная возможность создания искусственной по­ датливости целиков, сложенных крепкими слоистыми породами с применением буровзрывных работ.

Деформация одного целика вызывает перераспределение дав­ ления на значительной площади; при искусственной податливо­ сти целиков происходит поднятие почвы.

Натурный эксперимент показал, что созданием искусственной податливости можно значительно снизить нагрузки на межкамер­ ные целики, что открывает возможность в широких пределах уп­ равления горным давлением при камерно-столбовой системе раз­ работки.

7. ОСОБЕННОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ СДВИЖЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД в у с л о в и я х

ТЕКТОНИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЙ*

7.1. РОЛЬ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ НЕТРОНУТОГО МАССИВА ПОРОД В РАЗВИТИИ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ

Относительно роли напряженного состояния нетронутого мас­ сива горных пород в развитии процесса сдвижения в современнной научной, производственной и нормативной литературе утвер­ дился двойственный взгляд. В теоретических представлениях пер­ воначальному напряженному состоянию массива горных пород от­ водится первостепенная роль. Схематически процесс сдвижения горных пород представляется следующим образом.

Нетронутый массив горных пород находится под действием пер­ воначального поля напряжений, представляющего собой однород­ ную уравновешенную систему сил, обусловленных весом налегаю­ щих пород, боковым распором и факторами тектонического ха­ рактера. Проходка горных выработок или образование пустот при выемке полезного ископаемого нарушают сложившееся равнове­ сие, которое восстанавливается за счет перераспределения напря­ жений в зоне влияния образовавшихся выемок. Изменения напря­ жений, сопровождаемые в соответствии со свойствами сплошных сред деформациями, зависят от уровня первоначальных напряже­ ний, параметров выработки и деформационных свойств массива. На тех участках массива горных пород, где напряжения или де­ формации достигают предельных значений, происходит разруше­ ние пород и изменение размеров и формы выработки, в том чис­ ле с выходом на земную поверхность.

Этот процесс, сопровождаемый изменениями напряженно-де­ формированного состояния, происходит до тех пор, пока не обра­ зуется устойчивая полость. Напряженно-деформированное состоя­

*В проведении исследовании участвовали В. А. Беркутов, Б. А. Храмцов,

В.П. Драсков.

ние вокруг такой полости не будет вызывать дальнейшего разру­ шения пород или разрушения во времени будут происходить до­ статочно медленно.

Таким образом, первопричиной или движущей силой сдвиже­ ний и деформаций массива горных пород выступает первоначаль­ ное напряженное состояние и его изменения в процессе разработ­ ки месторождения. Подобное схематическое представление о про­ цессе сдвижения является общепринятым и излагается с различ­ ной детализацией в нормативной и научной литературе.

Но, несмотря на единодушное общетеоретическое признание первоначального напряженного состояния в качестве основного фактора развития процесса сдвижения, при решении практических вопросов в нормативных документах этот фактор во внимание не принимается. И не только в числе основных, по которым произ­ водится классификация месторождений и назначение нормативных углов сдвижения, но и в числе второстепенных, по которым вводят­ ся поправки для большего приближения к условиям месторожде­ ния.

Не отражено напряженное состояние и в общих методических положениях комплексного исследования проблем горной механи­ ки в разделе, посвященном методике комплексного исследования процесса сдвижения породных толщ и земной поверхности [22], На практике для назначения нормативных параметров сдвиже­ ния горных пород применяется эмпирический подход в сочетании с методом аналогии: нормативные углы сдвижения назначаются по результатам инструментальных наблюдений, выполнявшихся

вподобных условиях. Причем напряженное состояние не входит

вчисле признаков подобия.

Причины двойственного отношения к напряженному состоянию при решении вопросов сдвижения горных пород — признание в об­ щетеоретическом плане и ингнорирование на практике — разнооб­ разны и вытекают из исторически сложившихся понятий и из сла­ бой изученности влияния осно'вных факторов на проявлении сдви­ жения горных пород. О слабой изученности роли каждого из фак­ торов свидетельствует бросающееся в глаза отличие в их числе, принимаемом во внимание различными учеными при изучении про­ цесса сдвижения. П. М. Леонтовский отмечал восемнадцать основ­ ных факторов, И. М. Бахурин считал возможным ограничиться двенадцатью, а С. Г Авершин — четырьмя [1, 3]. В современной науке о сдвижении горных пород на рудных месторождениях вы­ деляется четыре группы факторов [39].

Тектонические напряжения, как один из основных факторов, впервые были отмечены И. М. Бахуриным. Располагая факторы в порядке убывания их значимости, он поставил «остатки тектони­

роль. «Остатки тектонических напряжений в земной коре теорети­ чески должны оказывать большое влияние на процесс сдвижения

горных пород, возникающий под влиянием горных разработок. Од­ нако практически влияние этого фактора до сих пор не учитыва­ лось» [3].

Это мнение справедливо не только для состояния науки о сдви­ жении конца 40-х годов, когда оно было высказано, но и для со­ временного уровня познаний. Но эти два этапа в развитии науки имеют разную готовность к изучению и использованию тектони­ ческих напряжений. В своих суждениях И. М. Бахурин основы­ вался на косвенных факторах, так как данные о параметрах пер­ воначального напряженного состояния Массива горных пород в то время практически отсутствовали.

Выступая в 1937 г. на совещании по управлению кровлей и сдвижением поверхности, С. Г. Михлин отмечал, что в решении проблем, обсуждаемых на совещании, есть еще одна трудность экспериментального, не теоретического характера, это — решение вопроса о том, как распределены напряжения в земной коре, ес­ ли выемок никаких нет. Математически можно получить бесчис­ ленное множество решений. Вопрос о том, как распределяются напряжения, должен быть решен, как нам кажется, эксперимен­ тально.

Сегодня познания горной науки в области первоначального напряженного состояния и его роли в развитии различных процес­ сов геомеханики неизмеримо расширились. Но в сдвижении гор­ ных пород этот фактор пока не нашел отражения при решении практических вопросов.

Многочисленные экспериментальные измерения напряжений, выполненные за последнее время в отечественной и зарубежной практике, позволяют предполагать, что напряженное состояние не­ тронутого массива горных пород складывается из гравитационных и тектонических напряжений. Вертикальные гравитационные на­ пряжения определяются весом вышележащих пород, а горизон­ тальные, являясь функцией вертикальных напряжений и бокового распора, должны быть во всех направлениях одинаковыми.

В практике подземной разработки рудных месторождений не­ редко встречаются случаи, когда в горных выработках различной направленности проявления горного давления не одинаковы, .хотя заметной анизотропии в свойствах пород не наблюдается. Особен­ но контрастны такие явления при динамических проявлениях гор­ ного давления. В выработках одного направления происходят стреляния, а выработки иного направления стоят благополучно. В сдвижении горных пород известны случаи аномальных откло­ нений величин углов сдвижения в относительно неизменных поро­ дах. Эти явления свидетельствуют об анизотропии первоначаль­ ного поля напряжений. Отклонения величин горизонтальных на­ пряжений нетронутого массива горных пород от значений, обус­ ловленных боковым распором, связывают с тектоническими дефор­ мациями земной коры, метаморфизмом, изменениями водного ре­ жима и многими другими причинами, значение которых в нас.тоя-

татами экспериментальных исследований в этой области. Слож­ ность Hie и важность задач, связанных с явлением сдвижения гор­ ных пород, требует не меньшей теоретической их разработки с широко развитыми экспериментальными исследованиями [1].

Созданные им теоретические методы расчета в определенной мере восполнили этот пробел и свидетельствуют об огромных воз­ можностях теории в решении вопросов охраны сооружений от влияния горных разработок, в прогнозе последствий подработки охраняемых объектов. Но теоретические предпосылки этих мето­ дов не раскрывают механизма процесса сдвижения пород и бази­ руются на его внешних свойствах, получаемых непосредственны­ ми наблюдениями. Понимая это, С. Г. Авершин отмечал, что со­ вершенно необходимо выяснить механизм деформаций и сдвиже­ ний пород, необходимо вскрыть внутренние свойства этого слож­ ного явления.

Несмотря на определенные недостатки, расчетные методы, на­ чало которым было положено С. Г. Авершиным, в современной угольной промышленности играют исключительно важное значе­ ние. Для рудной промышленности подобных расчетных методов не имеется. Попытки использования результатов исследований, полученных при разработке угольных месторождений, при разра­ ботке рудных месторождений успеха не имели, кроме отдельных случаев разработки жильных месторождений или месторождений с различными видами закладки.

Для разработки теории сдвижения горных пород и методов расчета деформаций необходимо иметь достаточно полное пред­ ставление о процессе сдвижения. Результаты длительных и раз­ носторонних исследований характера развития процесса сдвиже­ ния массива горных пород и земной поверхности неоднократно» обобщались.

В наиболее общем виде процесс сдвижения горных пород представлен И. М. Бахуриным [3]. В процессе сдвижения он раз­ личал три основные стадии:

1) сдвижение пород в непосредственной близости к горным

массива горных пород, охваченного процессом сдвижения, на зо­ ны в зависимости от характера его деформирования и изменения первоначального состояния.

По характеру деформирования мульду сдвижения разделяют на три зоны: обрушения, сдвижения с разрывом сплошности и плавных сдвижений. Признаком обрушения считается нарушение

биваются на более или менее крупные блоки, не теряя оконча­ тельно своей первоначальной структуры. Здесь деформации про­

текают плавно внутри блока и концентрируются на трещинах между блоками. И, наконец, зона плавных сдвижений представ­ ляется массивом горных пород с неизменной первоначальной структурой.

Выход обрушения на земную поверхность является завершаю­ щей стадией образования в массиве горных пород области с ины-

Рис. 7.1. Геомеханическая модель разрабатываемого месторождения:

I — зона обрушения; 2 — выработанное пространство; 3 — рудное тело

ми свойствами — полости, заполненной разрушенными породами. Следовательно, модель месторождения, разрабатываемого с об­ рушением налегающей толщи, может быть представлена в виде весомого полупространства с полостью, заполненной разрыхлен­ ным материалом. Одним из существенных моментов при этом яв­ ляется изменение силового поля при образовании провала или зоны обрушения.

Вертикальные напряжения на земной поверхности, как и до начала разработки, остаются равными нулю. По наклонным стен­ кам провала происходит изменение вертикальных напряжений, обусловленное разницей в плотности монолитных и разрыхленных пород,

где h — глубина от поверхности; ум — плотность пород в массиве; Yo — плотность разрыхленных пород в зоне обрушения.

Аналогичные изменения вертикальных напряжений происхо­ дят и по нижней границе зоны обрушения. Здесь эпюра Acrz будет

где oiT, 02т — горизонтальные тектонические главные напряжения; ог — горизонтальные гравитационные напряжения.

Направление действия а суммарных главных нормальных на­ пряжений определяется направлением действия тектонических на­