книги / Сдвижение горных пород на рудных месторождениях

и земной поверхности в результате проведения горных выработок. Основные виды деформирования горного массива — изгиб, сдвиг, ■отрыв, растяжение и сжатие. Деформирование пород в зависимости от интенсивности проявляется внешне в виде плавного сдвижения без нарушения сплошности пород, возникновения трещин разрыва и обрушения. Соответственно этому в толще горных пород и на земной поверхности различают зоны, указанные на рис. 1. Общий контур этих зон дает границу влияния очистных работ в массиве горных пород. Часть земной поверхности, подвергшаяся сдвижению под влиянием подземных горных разработок, называется м у л ь д о й •с д в н ж е н и я.

!

Рнс. 1. Зоны сдви­ жения горных пород:

АБВГ — обрушения;

АГЛД и БВМЕ — одинженил с разрывом сплош­

ного давления; 1 — от­ работанная часть руд­ ного тела; 2 — провал

Характер процесса сдвижения и величина его параметров затшсят в первую очередь от строения и состава вмещающих пород, -формы выработок и глубины их залегания.

Характер сдвижения слоистых пород. При выемке залежи, зале­ гающей согласно с вмещающими слоистыми породами, по мере уве­ личения размера выработки происходит перераспределение напря­ жений в окружающем массиве. Породы в почве и кровле частично •освобождаются от напряжений и оказываются в зоне разгрузки АГИКВВ (см. рис. 1). Массив по контуру выработки в плане воспринимает вес зависших пород и подвергается дополнительным нагрузкам, в результате чего образуются зоны опорного давления ЛНИГ и МОКВ. В зоне разгрузки возникают напряжения и дефор­ мации растяжения, а в зонах опорного давления — сжатия по нор­ мали к напластованию. Подобная картина перераспределения на­ пряжений характерна для начального этапа разработки всех зале­ жей и в общих чертах сохраняется на любой стадии их разработки.

По достижении выработкой предельного пролета прогибающиеся •слои кровли обрушаются. Величина предельного пролета, при котором происходит обрушение пород, для наиболее простых условий может быть рассчитана, но обычно определяется экспериментально [20]. -С увеличением площади подработки последовательно прогибаются п отслаиваются вышележащие слои (рис. 2). Механизм обрушения

их разрыхление и продолжается постепенное сдвижение над зоной обрушения.

Часть веса зависших над выработкой слоев передается породам над целиком, что вызывает деформации сжатия по нормали к на­ пластованию в зоне опорного давления. Деформации сжатия умень­

в зонах плавных сдвижений оседания являются суммой деформаций по нормали к напластованию I —I, сдвижения в этих зонах уве­ личиваются в направлении снизу вверх, достигая максимума на земной поверхности. Чем ближе нормаль I —I расположена к точке Д, тем больше сдвижения земной поверхности. В результате такого распределения сдвижений и деформаций земная поверхность и по­ роды в зоне плавных сдвижений сдвигаются в форме изгиба. В сла­ бых, легко деформируемых породах деформации, вызываемые опор­ ным давлением, больше, чем в крепких породах. Соответственно больше размеры зоны опорного давления и зоны плавных сдвижений на земной поверхности. Этим обстоятельством объясняется установ­ ленная зависимость изменения углов Ô от коэффициента крепости / пород по М. М. Протодьяконову: чем больше /, тем больше значе­ ния Ô [49].

При крутых углах падения разработка больших залежей систе­ мами с обрушением в сильно сланцеватых породах вызывает рас­ слаивание и прогиб пород в сторону выработанного пространства подобно консольным балкам. На земной поверхности образуются трещины с уступами, обращенными в сторону границ мульды сдви­ жения. Такие трещины установлены на Советском золоторудном месторождении и в Криворожском бассейне, а на угольных место­ рождениях — в Центральном районе Донбасса [21].

При разработке мощных крутопадающих залежей происходит также сдвижение пород лежачего бока. Форма сдвижения пород лежачего бока — сдвиг по поверхностям напластования и главным образом по ослабленным контактам различных по своим механиче­ ским свойствам пород. Сдвижение пород лежачего бока в форме сдвига по контактам слоев типично для многих месторождений Криворожского бассейна.

Образование трещин на земной поверхности и в толще пород нередко является следствием сдвига или сползания коренных пород в сторону выработанного пространства по поверхностям геологиче­ ских нарушений и по поверхностям ослабления массива, образуемым крупной и мелкой трещиноватостью с выдержанными элементами залегания.

Сдвиг горных пород происходит после нарушения состояния пре­ дельного равновесия по поверхностям ослабления, когда касатель­ ная составляющая веса пород превышает удерживающие силы тре­ ния и сцепления. Характерное проявление сдвига на земной поверх­ ности — образование трещины с уступом, обращенным в сторону центра мульды. Величина уступа увеличивается по мере углубле­

остается в устойчивом состоянии (Артемовский и Раздольнинский рудники).

Плавные сдвижения земной поверхности при отработке таких жил отмечаются главным образом на средней и большей глубине. Размеры очистных выработок (общая площадь очистных работ) в этих случаях значительны. Породы кровли удерживаются от обру­ шения нерегулярными целиками, пережимами и безрудными участ­ ками. Сдвижение происходит в результате деформирования целиков и безрудных участков под действием опорного давления.

Параметры процесса сдвижения

Параметрами процесса сдвижения называют показатели, с по­ мощью которых характеризуется и количественно оценивается про­

Углы сдвижения являются наиболее хорошо изученными и прак­ тически важными параметрами, применяемыми для построения пре­ дохранительных целиков и зон опасных сдвижений на земной по­ верхности. Углами сдвижения называются внешние относительно выработанного пространства углы, образованные на вертикальных разрезах по простиранию и вкрест простирания рудной залежи (в ме­ стах наибольших сдвижений) горизонтальными линиями и линиями, соединяющими границы выработанного пространства с границами опасных сдвижений на контакте коренных пород с наносами. За пре­ делами контура, построенного по углам сдвижения, ни один из видов деформаций не превышает критических значений:

наклона мульды сдвижения £ = 4 •10~3 (4 мм/м)',

кривизны к = 0,2 • 10"® ( 0.2 мм/м2)]

горизонтальных растяжений е = 2 •1СГ3 (2 мм/м)]

Различают углы сдвижения в коренных породах: у нижней гра­ ницы выработки в висячем боку — Р (рис. 4, а) и у нижней границы

ных тел); у нижней границы выработки по простиранию рудных тел — Ô (рис. 4, в). Углы сдвижения в наносах принимаются во всех направлениях одинаковыми и обозначаются <р. Углы сдвиже­ ния в направлениях, отличных от падения и простирания пород, обозначаются теми же буквами, но со штрихом, например р', у', S'. В тех случаях, когда углы, образуемые направлениями падения и простирания залежи и плоскостями разрезов, на которых опре­ деляются углы сдвижения, менее 20—25°, значения углов р\ у', Ô' практически равны углам P, у, ô.

На рудных месторождениях в отличие от угольных различают, кроме того, минимальные углы сдвижения, полученные в условиях

полной подработки, и углы сдвижения при неполной подработке (см. гл. IX), Последние имеют указанные выше обозначения с добавлением индекса U — (3^, усь Piи,

Применение на рудных месторождениях углов сдвижения при неполной подработке связано с часто наблюдающимся неполным развитпем процесса сдвижения при разработке залежей ограничен­ ных размеров, слепых и сложной морфологии, а также на торца: залежей. Поскольку углы сдвижения при неполной подработке круче минимальных, их применение позволяет принимать боле' оптимальные решения по охране сооружений, чем при использовинпи во всех случаях минимальных углов.

Рис. 4. Углы сдвижения и углы разрывов па раз­ резах:

а — вкрест простирания при

Необходимо подчеркнуть, что углы сдвижения следует рассмат­ ривать как условные технические параметры* применяемые только для построения предохранительных целиков ч зон опасного влияния на земной поверхности. Это следует прежде го из способа их опре­ деления по результатам наблюдений на земной поверхности. На­ клонные линии, проведенные под углами сдвижения, не могут служить для определения в массиве границ зон с деформациями, большими и меньшими критических, принятых за критерии при по­ лучении углов сдвижения. Как это следует из сложного характера и механизма процесса сдвижения, в зоне плавных сдвижений гра­ ницы между зонами сдвижения в толще горных пород имеют кри­ волинейные очертания (см. рис. 1).

Основной способ получения углов сдвижения — инструменталь­ ные наблюдения на земной поверхности. В случае двухстадийной отработки рудных тел (в первую очередь — камеры, во вторую — целики) при построении по результатам наблюдений углов сдвиже­

по углам разрыва, не наблюдается видимых трещин разрыва. Назначение углов разрывов — определение границ зон трещин на земной поверхности и построение предохранительных целиков для некоторых менее ответственных сооружений, как-то: шоссей­ ные дороги, подъездные рудничные железнодорожные пути, одно­ этажные дома [49]. При разработке на малой и средней глубине мощных залежей системами с обрушением и при крепких вмеща­ ющих породах (граниты, габбро, скарны и др.) соответствующие углы сдвижения и углы разрывов практически равны один другому, и последние приобретают значение углов сдвижения. По известным углам разрывов, для получения которых не требуется постановки инструментальных наблюдений, можно рассчитать углы сдвижения (см. § 28).

Трещины разрыва на земной поверхности появляются в резуль­ тате деформаций растяжения коренных пород. На коренных породах в большинстве случаев залегают рыхлые отложения — наносы, кото­ рым передаются деформации растяжения коренных пород. Чем больше мощность наносов, тем больше они сглаживают неравномер­ ности сдвижения коренных пород и тем меньше видимых трещин образуется на земной поверхности. Деформации растяжения нано­ сов, приводящие к образованию видимых трещин разрыва, возни­ кают также вследствие изгиба при вписывании их в профиль мульды сдвижения коренных пород. Трещины, происхождение которых связано с изгибом, образуются на краях мульды сдвижения и имеют, при прочих равных условиях, тем большее раскрытие, чем больше мощность наносов. Направление таких трещин примерно вертикаль­ ное. Величина раскрытия уменьшается в направлении сверху вниз, к контакту наносов с коренными породами.

Трещины на земной поверхности, образующиеся в результате разрыва наносов при сдвиге коренных пород в сторону выработан­ ного пространства, имеют примерно одинаковое раскрытие по всей глубине и близкое к вертикальному направление.

Трещины разрыва образуются, как правило, при деформациях растяжения земной поверхности в ^ 6 • 10“ 3. Видимые трещины разрыва коренных пород в горных выработках могут возникать при малых величинах оседания, порядка 10— 15 мм.

При определении величин углов разрывов по натурным данным следует учитывать время образования трещин и порядок отработки рудного тела, как это показано применительно к углам сдвижения на рис. 5. Углы разрывов, построенные на крайние трещины, так же как и углы сдвижения, имеют чисто техническое значение, т. е. могут служить для решения задач сдвижения на земной поверхности. Если возникновение трещины разрыва связано со сдвигом корен­ ных пород, то в этом случае линии, построенные под углами разрывов, приближенно ограничивают в массиве зону интенсивного сдвига

сразрывом сплошности пород.

Максимальные величины сдвижений и деформаций являются важными характеристиками процесса сдвижения и могут в некоторых

условиях использоваться для выбора мер охраны сооружений. Основ­ ной способ их * получения — инструментальные наблюдения. Ме­ тоды расчета сдвижений и деформаций применительно к условиям рудных месторождений не разработаны.

На рис. 6 показано распределение сдвижений и деформаций в . мульде сдвижения при отработке пластообразной залежи, когда на земной поверхности не образуется зоны обрушения. В зоне тре­ щин сдвижения и деформации распределяются крайне неравномерно.

Рис. 6. Распределение сдвнжепий и деформаций в мульде сдвижения при пологом залегании рудного тела и отсутствии провалов:

а — разрез вкрест простирания; б — разрез по простиранию; О,—02 — плоеное дно

кальная составляющая векторов сдвижения точек земной поверх­ ности при горизонтальном залегании, полной подработке и закон­ чившемся процессе сдвижения (рис. 6). Если известно, что разра­ ботка рудной залежи ие сопровождается образованием провалов, террас и крупных трещин с уступами, то на месторождениях, сло­ женных слоистыми породами, максимальное оседание при полной подработке

где q0 — коэффициент, зависящий главным образом от состава вмещающих пород и способа управления кровлей (уплотняемости закладки и степени заполнения ею выработанного пространства). Значение q0 определяется по результатам

наблюдений или методом аналогий, например по опыту разработки угольных месторождений [60];

т — вынимаемая мощность залежи. При применении закладки вместо т используется средняя эффективная мощность

всех остальных сдвижений и деформаций для условий, аналогичных угольным месторождениям.

М а к с и м а л ь н ы й н а к л о н i0 (1 • 10“ 3 или мм/м) — наибольшее отношение разности оседаний двух данных точек мульды к горизонтальному расстоянию между ними. Наклон интер­

к рис. 7, на котором показана схема определения деформаций на­ клона, кривизны и горизонтальных сдвижений по результатам на­

наибольшее отношение разности наклонов двух смежных интерва­ лов мульды к полусумме длин этих интервалов. Кривизна опреде­ ляется по формуле

2 0‘i_2—h-з)

н и е |о — наибольшая горизонтальная составляющая векторов сдви­ жений точек при закончившемся процессе сдвижения.