книги / Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений

верженного влиянию вертикальных деформаций растяжения в породах кровли очистной выработки:

I — шахтный ствол; II — выработка; сплошная и штрихпунктирная линии — кривые деформации соответ" ственно горных пород и крепи

зонте очистной выработки, причем площадь этого треугольника соответ­ ствует полному оседанию аМ (на рис. 55 показано штриховой линией). Затем, чтобы удовлетворить условию (108), этот треугольник смещают вправо с таким расчетом, чтобы заштрихованная площадь А4 уменьшилась и чтобы при этом вершина треугольника оставалась на горизонте очистной выработки.

В верхней левой части рис. 55 показана в увеличенном масштабе прямо­ угольная площадь деформаций сжатия податливой закладки или обрушенного материала, соответствующая полному оседанию аМ , и линия деформаций крепи, проведенная с соблюдением условия Аа = Аь + Ас. Шахтная крепь, деформации сжатия которой выше точки 5 меньше деформации горных пород на Аа— Аь, должна до точки 3 , в которой оседания крепи равны оседаиийм окружающих пород, претерпеть деформацию растяжения меньшую, чем де­ формация горных пород, на величину, равную Ас, т. е. Аа— Аь = Ас. Ана­ логичная картина должна иметь место в зоне растяжений пород почвы, чтобы удовлетворить равенству оседаний крепи и горных пород у точки 7: А'а = А'ъ + + Ас- Поскольку Аа + Аа = аМ — А = Аь + Аь + Ас + А'с, то после не­

Ниже точки 3 и выше точки 2 имеют место смещения массива горных пород относительно шахтной крепи. При этом устье шахтного ствола оседает соответ­ ственно площади А г и, следовательно, его высота над поверхностью грунта уменьшится на

полученных из площадей на графике, может быть построена требующаяся лишь в редких случаях кривая оседаний шахтной крепи по глубине ствола для показанных на рис. 51—54 случаев (от точек 2 и 5), а также от показанной на рис. 55 точки б, в которой оседание крепи равно нулю.

Если для построения эпюры деформаций шахтной крепи по глубине ствола принять, что отрыв крепи от горных пород в угленосных породах происходит при касательном напряжении 10 Н/см2, а в рыхлых породах покрывающей толщи — при напряжении 3 Н/см2, то по формуле (105) для ствола, закре­ пленного кирпичной кладкой (Е = 2 500 000 Н/см2) толщиной 50 см, неза­ висимо от его диаметра, определим рост осевой деформации крепи для угле­ носных пород, равный 0,018 мм/м, а для рыхлых пород — от 0,0025 до 0,005 мм/м. При креплении ствола тюбингами толщиной 10 см и при толщине слоя заливки бетона в закрепном пространстве 30 см рост деформаций крепи составит 0,0015 мм/м. Опыт показывает, что при графическом методе расчета деформа­ ций целесообразно по оси ординат принимать такой масштаб, чтобы разности глубины 100 м соответствовал отрезок 2 см, а по оси абсцисс — чтобы относи­ тельная деформация, равная 1 мм/м, изображалась отрезком, равным 4 см.

4.4.

Взаимное наложение влияний нескольких подработок

При новом методе расчета деформаций шахтного ствола суммарное воздей­ ствие нескольких очистных выработок нельзя получить простым суммирова­ нием отдельных влияний, как это делалось до сих пор. Сначала надо построить результирующую эпюру деформаций массива горных пород, пользуясь кото­ рой, затем построить эпюру общего деформирования шахтной крепи по глу­ бине ствола по приведенным выше правилам.

Так, например, угол нарастания деформаций крепи у верхнего и нижнего концов ствола с разделительным швом не изменится, если на шахтный ствол будут оказывать влияние еще несколько очистных выработок, отрабатывае­ мых по тому же или по соседним пластам, усиливая деформации массива гор­

104

Ш м

Рис. 56.

Вертикальные деформации сжатия шахтного ствола, закрепленного кирпичной кладкой, при отработке краевой зоны околоствольного предохранительного целика до контура, огра­ ниченного углом разрыва Р:

сплошная и штрихпунктирная линии — кривые деформации соответственно горных пород и крепи

Рис. 57.

Траектория перемещения точки на оси шахтного ствола (в проекции на горизонтальную плоскость) вследствие выемки двух угольных пластов с углом падения на запад 18й и зале­ гающих на глубине 610 и 650 м

место относительное смещение пород по крепи), дальнейшее возрастание де­ формаций массива уже не оказывает действия на упругие деформации сжатия или растяжения шахтной крепи. Установление этого факта весьма важно для горного дела, так как он показывает, что в основном только первая под­ работка вызывает заметные вертикальные растяжения и сжатия чувствитель­ ной к повреждениям тюбинговой крепи ствола, пройденного по водоносным породам, а последующие горные работы уже не представляют серьезной опас­ ности.

Так, например, из приведенных на рис. 56 кривых можно видеть, что горные работы, которые велись вблизи закрепленного до глубины 300 м тю­ бинговой крепью шахтного ствола после 1930 г., хотя и сопровождались де­ формациями сжатия горных пород на верхнем участке ствола, но уже не вы­ зывали дополнительного увеличения деформаций шахтной крепи, проходив­ ших до 1930 г., несмотря на то, что деформации пород, вызванные последу­ ющими подработками, возросли от 2 до 5 и позднее до 7 мм/м. Отдельные мак­ симумы вертикальных деформаций сжатия на эпюре деформаций шахтной крепи (точки 1—4 на рис. 56) меньше соответствующих максимумов на эпю­ рах деформаций массива горных пород и смещены в сторону больших глубин.

Кривые с указанными около них годами отработки показывают общие верти­ кальные деформации сжатия или растяжения пород после первой подработки шахтного ствола, относящейся к 1900 г.; сложение отдельных деформаций сжатия шахтной крепи, определенных для периодов 1900—1930 гг., 1930— 1970 гг. и 1970—1980 гг., могло бы привести, как указывалось, к неверному результату.

Отдельные секции шахтной крепи, опирающееся своими выступами на по­ родный массив, должны полностью следовать за горизонтальными сдвижениями горных пород, вследствие чего ось шахтного ствола, первоначально занимавшая вертикальное положение, будет отклоняться в сторону центра тяжести очистной выработки, если ствол расположен в стороне от этой выработки. В е л и ч и н а н а к л о н а оси ствола, направление которого (т. е. наклона) может быть весьма различным на разных глубинах, указанных на рис. 57, в зависимости от развития горных работ, определяется по вычисленным величинам горизон­ тальных сдвижений точек массива горных пород, расположенных вблизи ствола. Сдвижения устья шахтного ствола могут превышать 1 м; обычно на­ клон оси ствола, вызванный выемкой одного угольного пласта, если не при­ нимать во внимание области до 150 м над контуром очистной выработки, не пре­ вышает 1 мм на 1 м длины ствола.

4.5.

Вертикальные деформации растяжения и сжатия массива горных пород

Вертикальные деформации массива горных пород могут быть определены по оседанию отдельных его точек, вычисленных при помощи интеграционной сетки, делением разности оседаний двух точек (мм) на расстояние (м) по вер­ тикали между этими точками. Были также разработаны специальные инте­ грационные сетки для непосредственного расчета деформаций растяжения или сжатия пород, однако их применение не дает существенного сокращения за­ трат труда и времени по сравнению с обычным методом вычисления деформа­ ций по полученным с помощью палетки величинам оседаний [186, 359].

Весьма перспективным для исследования деформаций шахтных стволов может оказаться в будущем метод конечных элементов, если цилиндр шахтной крепи представить в виде вертикального «столбца» элементов в общей их сетке, которому приписывается некоторое приведенное значение модуля упругости, относящееся ко всему сечению ствола и учитывающее упругие постоянные материала тюбинговой, кирпичной или бетонной крепи. Сцепление между внешней поверхностью шахтной крепи и массивом горных пород может быть учтено введением слоя скольжения, теоретически представляемого в виде опорных шарнирно сцепленных с массивом элементов, или же в ходе процесса расчета при помощи ЭВМ, если при помощи соответствующего алгоритма повторным расчетом установить, в каких именно элементах породного слоя, граничащего с шахтной крепью, напряжения достигли предела прочности на сдвиг.

Рис. 59.

Зависимость максимальных вер­ тикальных деформаций растяже­ ния или сжатия шахтной крепи по формулам (112)—(115) для за­ данного горизонта от положения очистных работ:

1 и 2 —при отработке соответственно кольцевой внешней зоны и широким прямолинейным фронтом

заданных значениях аМ (полного оседания), г и Н . Так, например, для задан­

ченные значения должны быть уменьшены пропорционально площади отра­ ботки.

При отработке целика на одном крыле применяется формула

при отработке предохранительного целика одним прямолинейным забоем вертикальные деформации для любого момента времени (т. е. для любого положения очистного забоя) втрое меньше, чем при концентрической выемке. В формулах (112) и (114) деформации на любом горизонте пород покрывающей толщи не зависят ни от глубины разработки Я, ни от радиуса R площади пол­ ной подработки. Уравнения, описывающие общую зависимость распределения относительных вертикальных деформаций пород по глубине, приведены на рис. 58.

ОРГАНИЗОВАННАЯ ОТРАБОТКА ОКОЛОСТВОЛЬНЫХ ЦЕЛИКОВ

5.1.

Меры защиты шахтных стволов от воздействия подработки

Нормальное функционирование шахтного ствола должно быть обеспечено на весь срок существования шахты, измеряющийся десятилетиями. Если в течение этого срока предусматривается ведение горных работ вблизи ствола, то должны быть приняты как конструктивные, так и горнотехнические меры для предотвращения таких повреждений шахтного ствола, которые могли бы нарушить его бесперебойную эксплуатацию. Так, например, может быть при­ менен заполненный битумом шов скольжения, препятствующий передаче осевых сил трения между породным массивом и шахтным стволом на основ­ ную крепь ствола, который на некоторых новых шахтах располагается между внешней (проходческой) и внутренней (основной) крепью (рис. 60). Для пол­ ного исключения воздействия сдвижений пород на шахтный ствол следовало бы вести горные работы только за пределами конической области влияния, огра­ ниченной граничными углами (см. рис. 50). Цредохранительный целик, огра­ ниченный углами разрыва, для этой цели недостаточен, так как при этом верхняя часть шахтного ствола будет подвергаться влиянию сдвижений пород

взоне опорного давления.

Внастоящее время лишь в редких случаях имеется возможность для обес­ печения полной защиты шахтного ствола от повреждений. С одной стороны, на старых шахтах нельзя создать шов скольжения в уже существующей крепи ствола. С другой стороны, выемка залегающих на больших глубинах угольных пластов станет экономически нецелесообразной, если отказаться от разработки обеспеченных короткими откаточными и вентиляционными выработками хорошо разведанных ближайших к стволу участков пласта, особенно если перифе­ рийные участки шахтного поля тектонически нарушены и ограничены тесными контурами горного отвода (при этом нужно иметь в виду, что при граничном угле, равном 55°, диаметр предохранительного целика на глубине 700 м дости­ гает 1 км). Нужно также учитывать, что сооружения шахтной поверхности, расположенные на нетронутом предохранительном целике, по мере образования мульды оседания довольно быстро оказываются на несколько метров выше окружающей местности, попадая в зону деформаций растяжения земной псгверхности, что приводит к недопустимому увеличению уклонов примыкающих

кшахтному стволу рельсовых путей.

Учитывая перечисленные недостатки околоствольных предохранительных целиков, при ведении разработок на больших глубинах приходится отказы­ ваться от полной защиты шахтных стволов и допускать, в известной степени, воздействие горных работ на шахтную крепь. Опыт показывает, что при со­ блюдении некоторых правил вполне возможно ведение горных работ вблизи шахтных стволов без нарушения нормальной работы шахтного подъема и гер-

Рис. 60.

Разрез железобетонной шахтной крепи с устройством швов (поверх­ ности) скольжения:

1— шов скольжения (15—20 см); 2— стальной лист (1—3 см); 3— проме­ жуточный слой бетона (40—60 см); 4 — внешняя бетонная оболочка (35 см); 5 — бетонное ограждение; 6 — свинцовая пластина; 7 — цилиндр скольжения; 8 — армированный фундамент; 9 — деревянная прокладка; ю — кирпичная кладка (50 см)

метичности крепи на участках ствола, пройденных по водоносным породным слоям. Этими правилами предусматривается:

взаимная компенсация вертикальных деформаций растяжения и сжатия, достигаемая одновременной отработкой двух или более участков предохрани­ тельного целика;

симметричное относительно шахтного ствола ведение очистных работ, предотвращающее возможность наклона оси ствола или среза шахтной крепи; уменьшение оседания горных пород вблизи шахтного ствола осуществлю нием горнотехнических мероприятий (закладка выработанного пространства,

оставлением нетронутой центральной зоны); конструктивные мероприятия при креплении шахтного ствола, как, на­

пример, устройство разделительных швов, применение сминающихся дере­ вянных прокладок и др. (табл. 6).

Горные работы в пределах око^оствольного предохранительного целика необходимо планировать от общего к частному, т. е. от положения фронта очистных работ в их конечной стадии к отработке отдельных выемочных уча­ стков последовательными этапами. Прежде всего главный инженер шахты совместно с маркшейдером должен наметить план отработки целика при мак­ симально возможной производительности очистных работ с учетом тектоники месторождения, его разведанности и пригодности для промышленной раз­ работки. Наличие в шахтном поле сильно нарушенных, непригодных для использования или уже ранее отработанных участков уменьшает размеры участков, выемка которых возможна в пределах предохранительного целика. Затем маркшейдерский отдел шахты должен представить результаты расчета ожидаемых сдвижений породного массива и деформаций крепи шахтного ствола для конечной стадии развития горных работ. Если результаты расчета

Т А Б Л И Ц А 6

полугодовые интервалы

покажут, что напряжения в шахтной крепи превысят предел прочности ее материала или возможный наклон оси ствола угрожает срезом крепи, для отработки должны быть выбраны другие участки пласта или должно быть назначено применение закладки выработанного пространства.

Только после того, как заново вычисленные значения вертикальных де­ формаций растяжения и сжатия, а также наклон оси шахтного ствола для