книги / Сдвижение горных пород на рудных месторождениях

в несколько раз меньше прочности окружающего массива. Поэтому разрывные нарушения образуют исключительно благоприятные зоны и направления для сдвижения и деформирования пород. Следует также отметить, что разрывным нарушениям обычно сопутствуют одинаково ориентированные с ними системы мелкой трещиноватости. Например, проведенные ВНИМИ исследования на Золотушинском Артемовском и Советском рудниках показали, что элементы зале­ гания разломов и тектонических трещин, как правило, равны эле­ ментам залегания соответствующих систем мелкой трещиноватости.

Характерные примеры влияния на сдвижение горных пород различно ориентированных разрывных нарушений получены на Золотушииском полиметаллическом месторождении (рис. 77). Так называемый Западный взброс ограничивает рудное тело по восста­ нию. Падение взбросовой трещины 75—80° на запад, т. е. в сторону, обратную падению рудного тела. Плоскость смещения выполнена глинкой трения мощностью 20—25 см. Амплитуда взброса 15—20 см. Наличие взброса внесло некоторые изменения в характер деформи­ рования земной поверхности до образования провала. В интервале

разовавшийся впоследствии провал ограничивался с западной сто­ роны выходом выброса под наносы. Других особенностей в характере сдвижения, связанных со взбросом, не отмечалось.

Из приведенного примера и других аналогичных ему случаев следует, что нарушения со сместителями, падающими в направлении, обратном падению рудного тела, и расположенные со стороны вос­ стания, могут влиять на положение максимумов деформаций в мульде сдвижения и вызывают увеличение деформаций на земной поверх­ ности в районе их выходов за счет деформирования слабых пород приконтактовой зоны и пород, заполняющих трещину. К выходам на земную поверхность таких нарушений могут быть приурочены крайние относительно центра мульды сдвижения трещины разрывов или границы провалов, как, например, это имеет место на руднике Советском.

В хлорито-серицитовых сланцах, вмещающих основную рудную залежь Золотушинского месторождения, развиты продольные геоло­ гические нарушения, значительно ослабившие эти и без того слабые породы. Ослабление пород способствовало развитию сдвижения, вызванного влиянием очистных работ. Сдвижение пород лежачего бока происходило в виде сдвига (сползания) по поверхностям осла­ бления, созданным нарушениями, и по контактам пород. Построен­ ные векторы сдвижения реперов профильных линий параллельны падению рудовмещающей зоны, представленной хлорито-серицито- выми сланцами.

Рис. 77. Сдвижения земной поверхности по профильной линии № 1 Золотупшнского месторождения:

а — оседания; б — наклоны; в — кривизна; г — горизонтальные деформации; д — верти­ кальный разрез

Сдвижение горных пород висячего бока по тектоническому нару­ шению, падающему к рудному телу под углом 40—60°, установлено на Успенском руднике Акчатауского горно-обогатительного комби­ ната. Трещина, ограничивающая в лежачем боку рудного тела зону сдвижения, совпадает с контактом песчаников и конгломератов. Этот контакт является одновременно зоной тектонического нару­ шения.

В лежачем боку рудного тела Текелийского месторождения зона смятия, падающая в сторону рудного тела под углом 39°, также явилась той плоскостью, по которой произошло сдвижение пород лежачего бока [24]. Разрывные нарушения в породах висячего бока, падающие в сторону рудного тела, также «контролируют» развитие процесса сдвижения, вызывая его аномалии.

При разработке месторождения комбината Североиикель, пред­ ставленного свитой тонких крутопадающих жил, залегающих в скальных вмещающих породах (пироксениты, перидотиты, габбро), отмечено, что угол сдвижения [3 определяется поверхностью Меридио­ нального сброса. Поверхность сброса оталькована и карбонатизнрована, а приконтактовые породы местами по своим пластическим свойствам приближаются к глинам. Величина сдвижения на участке

.выхода на поверхность сброса в 5—10 раз превышает величину сдвижения на участках, где сброса нет [38].

Таким образом, на величину углов разрывов наиболее заметное влияние оказывают нарушения, падение плоскостей сместителей которых направлено в ту же сторону, что и плоскостей, построенных по соответствующим углам разрывов. Углы падения сместителей должны быть при этом больше углов трения пород, заполняющих трещину. Трещины доляшы быть подсечены очистными выработками. В этих условиях угол разрывов следует принимать равным углу падения сместителя, но не круче средних углов разрывов, устано­ вленных на данном месторождении для участков без геологических нарушений.

Нарушения, плоскости сместителей которых ориентированы иначе, также влияют на величину углов разрывов, однако их роль сводится главным образом к искажению нормального распределения деформаций в мульде сдвижения. Над выходами нарушений возни­ кают трещины разрывов и максимумы деформаций, а величина этих максимумов становится большей, чем в обычных условиях.

§ 30. Изменение углов разрывов и сдвижения в зависимости от глубины разработки

Влияние глубины разработки на углы сдвижения и разрывов следует рассматривать с учетом других факторов: размеров выра­ ботки, мощности рудного тела, угла падения и пр.

В действующих Правилах и Указаниях по охране сооружений ссылки на значение глубины разработки как фактора, влияющего на параметры сдвижения, обычно носят общий характер, в то время

как ее учет практически не производится, за исключением решения . некоторых частных задач, например определение безопасной глу­ бины.

Характер изменения углов разрывов с увеличением глубины разработки при прочих равных условиях в сильной степени зависит от размеров рудных залежей. В тех случаях, когда рудное тело залегает в слоистых вмещающих породах и имеет большие размеры или линзообразную и пластообразную форму, при увеличении глу­ бины разработки сохраняются условия полной подработки и углы разрывов приобретают тенденцию к уменьшению. Эта тенденция от­ мечалась на некоторых медиоколчеданных месторождениях Урала и железорудных месторождениях Криворожского бассейна. На­ пример, на шахте «Центральная» рудника Ингулец с увеличением

Уменьшение углов разрывов с увеличением глубины разработки получило различные объяснения.

1. При глубине до 100 ж образуется провал и углы разрывов получаются крутыми, после этого вследствие консольного изгиба слоев пород обрушаются породы висячего бока и углы становятся положе. Понижение горных работ на глубину более 250—300 ле приводит в результате защемления верхних концов слоев обрушен­ ными породами к деформированию их в виде балок, заделанных двумя концами, а углы |5" становятся еще положе [26]. Эта схема механизма процесса сдвижения пока не привела к решениям, по­ зволяющим получить количественные зависимости изменения углов разрывов от глубины разработки.

2. Если, как это показано в § 29, исходить из представлений о возникновении углов разрывов в результате сдвига пород по поверхностям ослабления, образуемым трещиноватостью, то оказы­ вается, что с увеличением глубины разработки удерживающие массив в равновесии силы сцепления увеличиваются пропорцио­ нально глубине Н, а сдвигающие касательные силы — примерно пропорционально Я 2. Вследствие этого с увеличением глубины разработки возникает возможность сдвига пород по все более поло­ гим системам трещин. Это видно из рис. 75 и 76.

На малой глубине силы сцепления составляют значительную часть от суммы удерживающих сил. Соответственно этому углы раз­ рывов должны быть преимущественно крутыми, так как сдвигающие силы, пропорциональные синусу угла падения, могут превзойти удерживающие силы только по поверхностям ослабления с крутыми углами падения. Из рис. 75 следует, что, например, на глубине 100 м при Км= 40 т/м2 и рт = 20° минимальный угол наклона активных трещин, а следовательно, и минимальное значение р" равны примерно 65—70°.

С увеличением глубины разработки доля сил сцепления в сумме удерживающих сил уменьшается сначала быстро, а затем медленнее, что следует из уменьшения углов наклона кривых на рис. 75 и 76.

На большой глубине {800—1000 Ht) углы наклона кривых прибли­ жаются к нулю, силы сцепления составляют ничтожно малую часть от удерживающих сил трения. Если бы не проявлялось удержи­ вающее влияние подпора обрушенных пород, то на большой глубине минимальные углы разрывов Р" могли бы принять значения углов трения по поверхностям ослабления. Благодаря подпору углы Р" остаются более крутыми, чем рт, на 10—15°.

Как показывает анализ наблюдений за сдвижением земной по­ верхности, уменьшение углов разрывов с глубиной разработки про­ исходит скачкообразно, т. е. малому приращению глубины нередко соответствует резкое уменьшение угла Р".

Рпс. 78. Диаграмма изменения углов Р" с увеличением глу­ бины разработки

На рис. 78 показана построенная по фактическим данным диа­ грамма изменения углов разрывов р " с глубиной Н. По оси абсцисс отложены глубины разработки, по оси ординат — уменьшение углов Р". Каждый случай уменьшения углов изображен столбцом, ширина которого равна приращению глубины (АН), а высота — уменьшению угла разрывов (АР"). Для каждого случая, изображен­ ного на рис. 78, использованы данные по одной профильной линии,

Из диаграммы видно, что при различной глубине Н (от 50 до 300 м и более) даже незначительное приращение АН может вызвать уменьшение угла разрывов на 15—20°. Указанный характер изме­ нения углов разрывов согласуется с характером трещиноватости горного массива, с наличием в нем нескольких систем трещин, па­ дающих в сторону рудного тела.

При развитых в висячем боку нескольких системах трещин, пада­ ющих в сторону выработанпого пространства, с увеличением глу­ бины разработки состояние предельного равновесия наступает вна­ чале по крутым системам, а затем по пологим. Скачкообразное из­ менение углов разрывов связано с тем, что с увеличением глубины разработки становятся активными более пологие системы трещин,

и процесс сдвижения как бы «переходит» с одной системы на другую. Чем больше разница в углах падения систем трещин, тем больше величина «скачка», который наступает внезапно, после потери рав­ новесия, даже при незначительном приращении глубины. В интер­ вале между скачками значения углов разрывов остаются практиче­ ски постоянными. Расчет ожидаемых изменений углов разрывов с глубиной разработки возможен, если известны механические свой­

ства пород по поверхностям ослабления и их ориентировка (см.

§ 22).

Некоторое кажущееся уменьшение углов разрывов с увеличе­ нием глубины разработки Н вызывается также влиянием наносов.

Истинный угол разрывов в коренных породах, например в вися­

h с увеличением глубины разработки погрешность определения ис­ тинного угла р " уменьшается. При малой глубине разработки угол разрывов, построенный неправильно на точку Б, может оказаться значительно круче истинного угла, построенного на точку В.

В условиях неполной подработки углы разрывов зависят от степени подработаниости, которая с глубиной разработки обычно меняется незакономерно и обусловлена формой и размерами рудных тел. Так, например, при разработке основной рудной за­ лежи Золотушинского полиметаллического рудника полученный

ние угла Р" объясняется разобщенностью рудной залежи пережимами на отдельные участки, в силу чего возникает неполная подработка и процесс сдвижения не получает полного развития. Каждый из полученных углов Р" соответствует углу падения одной из систем трещиноватости, развитых в висячем боку залежи [30]. Таким образом, в условиях неполной подработки углы разрывов также обычно соответствуют определенным системам трещин, причем, чем меньше степень подработанности и меньше глубина разработки, тем более крутым системам трещин будут соответствовать углы раз­ рывов.

Согласно данным наблюдений, углы сдвижения с глубиной раз­ работки уменьшаются медленнее, чем углы разрывов. Если, согласно

ведены некоторые фактические данные об уменьшении углов сдви­

По всей видимости, уменьшение с глубиной разработки углов сдвижения связано с уменьшением углов разрывов и в конечном счете объясняется особенностями трещинной тектоники и деформи­ рованием горных пород опорным давлением. Практически можно считать, что при больших размерах рудных тел по падению и про­ стиранию и их большой мощности углы сдвижения р, полученные при разработке верхних горизонтов, могут оказаться на 10— 15° круче углов сдвижения на нижних горизонтах.

Тлава H.

ОНЕКОТОРЫХ ПАРАМЕТРАХ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ

ИМЕРАХ ОХРАНЫ СООРУЖЕНИЙ

§31. Углы сдвижения в рыхлых отложениях, продолжительность процесса сдвижения и безопасная

глубина разработки

Характер и углы сдвижения в рыхлых отложениях

Слабые, рыхлые отложения (наносы) при сдвижении не способны создавать больших зависаний и вписываются в мульду сдвижения, возникающую на контакте их с коренными породами. Следовательно, характер сдвижения рыхлых отложений существенно зависит от характера сдвижения коренных пород. Но в механизме сдвижения рыхлых отложений и коренных пород имеются также существенные различия, которые возрастают с увеличением мощности рыхлых отложений, крепости и угла падения коренных пород. При сдвиже­ нии слоистая толща коренных пород расслаивается на отдельные слои, которые прогибаются и деформируются самостоятельно [53]. Величина деформаций коренных пород и их распределение на кон­ такте с рыхлыми отложениями обусловливаются совокупностью сдвижений и деформаций отдельных слоев. Рыхлые же отложения обычно деформируются без расслоения, монолитным слоем.

При горизонтальном и пологом залегании коренные породы, как и рыхлые отложения, сдвигаются в форме вертикального про­ гиба. В этом случае мульда сдвижения получается симметричной и рыхлые отложения не оказывают существенного влияния на ха­ рактер распределения сдвижений и деформаций в мульде. При на­

Если прочностные характеристики рыхлых отложений и коренных пород одного порядка (/ «< 4), то углы сдвижения в них принимают одинаковыми и равными во всех направлениях (Чиатурское, Нико­ польское месторождения, Подмосковный угольный бассейн и др.).

При наклонном и крутом залегании коренные породы вне зоны обрушения сдвигаются в форме прогиба слоев в сторону выработан­ ного пространства. На контакте коренных пород с рыхлыми отло­ жениями возникают оседания и неравномерные горизонтальные сдвижения, направленные в сторону восстания залежи. Под влия­ нием оседаний коренных пород рыхлые отложения испытывают вертикальный прогиб, а под влиянием горизонтальных сдвижений — сдвиг в сторону восстания, как это изображено на рис. 80. В резуль­ тате на земной поверхности со стороны падения залежи происходит сложение горизонтальных сдвижений от сдвижения коренных пород 1 и прогиба рыхлых отложений 2. Со стороны восстания горизонталь­ ные сдвижения от прогиба рыхлых отложений направлены в сторону, противоположную сдвижению коренных пород. Поэтому суммарное сдвижение земной поверхности здесь получается меньше.

дует устанавливать, учитывая состав грунтов и гидрогеологические условия. При наличии провалов в обводненных наносах значение

угол наклона бортов провалов ф' достигает 30—35°.

Углы разрывов ф" в наносах и выветрелых породах рекомен­ дуется принимать равными углам разрывов в коренных породах.

Продолжительность процесса сдвижения

Продолжительность процесса сдвижения горных пород и земной поверхности изменяется в весьма широких пределах и определяется большим количеством факторов: системами разработки, размерами и конфигурацией выработанного пространства, глубиной разра­ ботки, строением, крепостью пород и др.

При отработке месторождений камерно-столбовыми системами и в условиях неполной подработки дать какие-либо общие рекомен­ дации по определению продолжительности процесса сдвижения невозможно. В этом случае установить начало и продолжительность процесса сдвижения можно только путем непосредственных инстру­ ментальных наблюдений в толще пород (например, с помощью глу­ бинных реперов) и на земной поверхности.

В условиях полной подработки, когда пластообразные рудные тела и залежи имеют значительные размеры и разрабатываются системами, предусматривающими отработку целиков и погашение пустот, общую продолжительность процесса сдвижения земной по­ верхности после прекращения очистных работ и ликвидации пустот можно определять ориентировочно в зависимости от глубины от­ работки.

Эта зависимость составлена в основном по результатам изучения продолжительности процесса сдвижения в Криворожском бассейне, на железорудных, золоторудных и медных месторождениях Урала. Приведенными данными следует пользоваться при решении вопро­ сов об использовании подработанных территорий. Строительство зданий и сооружений на подработанных территориях допускается только при наличии данных, подтверждающих полную подработку этих территорий и с учетом указанной продолжительности процесса

При двухстадийной разработке месторождения отработка на новом горизонте только камер обычно не вызывает расширения мульды сдвижения. Сдвижение на новых участках земной поверхности начи­ нается при отработке междукамерных целиков и потолочин на этом горизонте. Так, в. Криворожском бассейне при разработке глубоких горизонтов активное сдвижение земной поверхности на новых уча­ стках начинается после сплошной отработки залежи по простира­ нию на длину, примерно равную глубине разрабатываемого гори­ зонта. Это обстоятельство важно учитывать при определении сроков споса или переноса подрабатываемых сооружений.

Безопасная глубина разработки

Под безопасной глубиной разработки понимается глубина, ниже которой. горные работы не вызывают в подрабатываемых объектах

рождений понятие о безопасной глубине разработки не нашло отра­ жения по той причине, что эти Правила составлены преимуще­ ственно для мощных месторождений. Говорить о безопасной глубине разработки в таких условиях при современной глубине разработки не имело смысла.

Но среди рудных месторождений имеется многочисленная группа месторождений с залежами и жилами небольшой мощности. Изу­ чение материалов натурных наблюдений, выполненное при состав­ лении Временных правил [49], показывает, что на таких место­ рождениях земная поверхность или вообще не деформируется, или деформации ее при определенной глубине разработки становятся меньше критических. Было отмечено, что неизбежное оставление в выработанном пространстве некоторого количества целиков в со­ четании с высокой крепостью пород способствует быстрому уменьше­ нию деформаций земной поверхности с увеличением глубины раз­ работки. Опасные деформации земной поверхности в рассматриваемых условиях прекращались при значительно меньшей глубине разра­