книги / Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений

работ. Следует отметить, что над левой границей очистных работ (у разрезной печи) и зоной опорного давления сдвижения земной поверхности возрастают только до тех пор, пока отрабатывается первая половина площади полной под­ работки. Последующие очистные работы, проводимые вправо от положения,

подвигания очистных работ, с самого начала возникают стационарные зоны сдвижения впереди и позади фронта очистных работ, параллельного наблюда­ тельной линии (см. рис. 87). На этой линии, проходящей через точку 23 первой наблюдательной линии, по мере подвигания очистных работ от начального положения 0 до конечного положения I I I мульда оседания все время остается симметричной, но глубина ее непрерывно возрастает и соответственно непре­ рывно возрастают горизонтальные сдвижения, наклоны, кривизна и деформа­ ция растяжения над зоной опорного давления, а также сжатия над средней частью мульды. В опубликованных работах немецких исследователей законо­ мерности процесса сдвижения обычно исследуются на разрезах по простиранию (см. рис. 8 6 ), так как на разрезе по падению (см. рис. 87) размер выемочного поля, определяющийся длиной лавы (около 250 м), слишком сильно отличается от диаметра площади полной подработки, на глубине 800 м достигающего 1 км, если только выемочные участки не располагать один рядом с другим, как это показано на рис. 87.

С увеличением глубины разработки мульда сдвижения на земной поверх­ ности становится более широкой и более плоской (см. рис. 82). Если от границ показанной на рис. 8 8 очистной выработки 1 при неполной подработке продол­ жить линии граничных углов вниз, то получим до глубины h предельный кон­ тур всех очистных выработок, образующих на земной поверхности мульды такой же ширины, различающиеся только своей глубиной (например, для выработки 2 максимальное оседание будет равно vz 2max, а от элементарной выработки оседание составляет dvz). Если, наоборот, требуется определить площади очистных выработок, расположенных на глубинах, отличающихся от глубины заложения выработки 2 , но создающих мульды с таким же макси­ мальным оседанием uz 1п1ах в точке Р в центре мульды, то в соответствии с прин­ ципом эквивалентности (см. подраздел 8.31) нужно построить показанный па рис. 8 8 штрихпунктиром угол б с вершиной в точке Р, стороны которого про­ ходят через границы выработки 7. Нетрудно видеть, что для выработок на боль­ шей глубине (например, для выработки 3—3 на глубине /г) получится более широкая и, следовательно, более плоская мульда сдвижения.

Для выработок, равных выработке 1 (например, для выработки 4—4 на глубине h) с увеличением глубины разработки ширина мульды сдвижения будет возрастать, но одновременно максимальное оседание будет уменьшаться (см. пижшого дополнительную схему на рис. 8 8 ). Естественным следствием выполаживания мульды при увеличении глубины разработки будет уменьше­ ние величин наклонов, кривизны, горизонтальных сдвижений и деформаций

Рис. 88.

Влпяпие геологических нарушений на сдвижение земной поверхности в зоне очистной выра­ ботки 1 и выполаживанне мульды сдвижения с увеличением глубины горных работ при по­ стоянной ширине очистных выработок 1 и 4 пли при постоянном максимальном оседании

vz max*

1 — флексура; II — тектоническое нарушение; III — элементарная выработка

в разработанных в ряде стран Правилах охраны сооружений указываются зна­ чения так называемых коэффициентов безопасности, на которые нужно умно­ жить мощность разрабатываемого пласта, чтобы получить к р и т и ч е с к у ю г л у б и н у , глубже которой очистные работы создадут деформации земной поверхности, не превышающие допустимые для сооружений, относящихся к определенной категории защиты. Так, например, в Донецком бассейне при вынимаемой мощности пласта 1,5 м эта «безопасная глубина» для зданий 1 категории защиты составляет 1,5 X 400 = 600 м, а для зданий V категории — 1,5 X 100 = 150 м. Однако равная по площади, но более глубоко расположен­ ная очистная выработка будет оказывать влияние на больший по площади участок земной поверхности, что в густо застроенных горнопромышленных районах приведет к росту затрат на защитные мероприятия и на восстанови­ тельный ремонт поврежденных зданий и сооружений.

Изображенные на рисунках профили мульд сдвижения представляют собой некоторый идеальный случай, редко встречающийся в действительности. Такие профили мульд сдвижения, описываемые плавными кривыми, могут иметь место только в случае, если покрывающая угольный пласт толща пред­ ставлена мощными слоями слабых пород, подобно подушке смягчающими и выравнивающими неравномерные сдвижения коренных пород. При отсутствии такой смягчающей покрывающей толщи неравномерные сдвижения пород по трещинам и поверхностям скольжения распространяются до зоны выветри-

напия, что в настоящее время, при высоких скоростях подвигания очистных работ, наблюдается все чаще и чаще. Давно известно, что асимметрия кривых оседания, свойственная промежуточным стадиям развития процесса сдвижения, после прекращения горных работ не исчезает, а лишь несколько смягчается, т. е. мульда оседания при том же объеме над неподвижным забоем оказывается более глубокой, а над перемещавшимся забоем — более пологой, чем в «учеб­ ном» примере симметричного профиля мульды для конечной стадии процесса сдвижения, показанного на рис. 8 6 . Часто случается также, что над действу­ ющим очистным забоем граничный угол меньше, а краевая зона мульды шире, чем с той стороны мульды, откуда начиналась отработка. Кроме того, на раз­ витие процесса сдвижения оказывает влияние структурная нарушенность по­ родного массива, что выражается в образовании у выхода нарушенной зоны на поверхность ступенчатых уступов, флексур и даже грабенообразньтх про­ валов. Тектонические нарушения с углом падения сместителя, превышающим граничный угол, как бы прерывают распространение сдвижений в породном массиве, как это показано на рис. 8 8 слева. В лежачем боку при нарушении, пересекающем линию граничного угла (рис. 8 8 , справа), над очистной выработ­ кой может отделиться породный клин, по при таком расположении нарушения и граничного угла характер процесса сдвижения обычно не изменяется, хотя при небольшой глубине разработки над нарушением на земной поверхности может образоваться трещина. Что касается тектонических нарушений, пада­ ющих по направлению к очистному забою (на рис. 8 8 , слева), то их влияние проявляется в виде местного увеличения оседаний и деформаций растяжения, наблюдающихся на земной поверхности у выхода на поверхность нарушения или продолжения линии сместителя. В последние годы установлено, что тре­ щины и уступы в мульде сдвижения могут возникнуть и при большой мощности покрывающей породной толщи, если в лежачем боку тектонического нарушения производится выемка второго пласта [242].

В этой связи можно отнести к разрывам непрерывности в профиле мульды сдвижения также трещины и уступы на земпой поверхности, возникающие в области, ограниченной линиями, проведенными от границ очистной выра­ ботки под углами разрыва. К образованию таких трещин и уступов может привести, в частности, взаимное наложение деформаций растяжения, вызван­ ных отработкой отдельных выемочных участков, имеющее место у границ шахтных полей или у контуров очистных выработок, совпадающих с тектони­ ческими нарушениями. Трещины и уступы могут образоваться и без усиленного воздействия деформаций растяжения, а в связи с резкими изменениями прочиостных показателей породных слоев, как это имеет место, например, на границах раздела геологических формаций при переходе от пород карбона к меловым и далее к третичным отложениям при отсутствии четвертичных отложений или при их малой мощности.

Фактическая картина мульды оседания может также отличаться от «учеб­ ного» примера, если в выработанном пространстве оставлен межлавный или барьерный целик угля, вызывающий возникновение в профиле мульды порога или если в области влияния находятся старые выработки, которые под воздей­ ствием нового добавочного горного давления или новых деформаций изгиба

породных слоев могут стать причиной дополнительных вертикальных смещен#*1 (см. подраздел 6.3). Кроме этого влияния зон повышенного давления над коЯ~ турами очистных выработок, возникающего при отработке свиты пластов и усиливающего конвергенцию, дополнительное оседание может возникнуть также в краевых зонах старых выработок, отработанных с обрушением кровли или с закладкой выработанного пространства и непосредственно граничащих с вновь отрабатываемыми выемочными полями (влияние краевых зон).

Сильно подработанный выемкой нескольких горизонтов или пластов и тем самым ослабленный породный массив оседает между более крутыми, чем обычно, линиями граничных углов (около 60°), образуя воронкообразную мульду сдвижения, так что по сравнению с обычной плоской мульдой с пологими скло­ нами здесь наблюдается избыточное оседание в средней части мульды и недоста­ точное оседание в ее краевой зоне. При этом мульда сдвижения имеет не только крутые склоны с уклоном, превышающим 1 0 мм/м, но и узкое дно, что при­ водит к значительнохму увеличению деформаций сжатия и кривизны [422] и к смещению максимухма деформаций растяжения к контуру очистной выра­ ботки (угол разрыва приближается к 90°). В результате раздробления и раз­ упрочнения породного массива при его многократной подработке максимум деформаций сжатия в отдельных случаях даже при полной или сверхполпой подработке остается над серединой очистной выработки [225].

К этому следует добавить, что при преимущественно применяемой в на­ стоящее время системе разработки с о б р у ш е п и е м к р о в л и породные слои прогибаются вдвое сильнее, чем при выемке с закладкой выработанного пространства, что способствует развитию трещиноватости и в сочетании с высо­ кой степенью подработанности породного массива приводит к его ослаблению, выражающемуся в образовании глубоких мульд сдвижения с крутыми скло­ нами. Высокая скорость подвигания очистных работ и непрерывная подработка пород кровли, имеющие место в настоящее время, оказывают известное влияние и на рассхматривавшуюся выше асимметричную форму профиля мульды оседа­ ния, так как породы кровли, в течение пяти рабочих дней недели остающиеся без поддержки на значительном протяжении, получают опору только в области, откуда начинались очистные работы. В результате там происходит уплотнение обрушенного материала и процесс сдвижения несколько перемещается в сто­ рону исходного забоя (см. рис. 8 8 ).

В Рурской области, как правило, на земпую поверхность оказывают влия­ ние очистные работы, ведущиеся одновременно на нескольких выемочных уча­ стках, что затрудняет анализ процесса сдвижения и отнесение измеренных оседаний к воздействию той или ипой выработки, а также определение значе­ ний граничных углов и углов разрыва.

7.4.

Сдвижение земной поверхности при наклонном залегании разрабатываемого пласта

При наклонном и крутохМ залегании угольных пластов граничные углы и углы разрыва в разрезе по простиранию (у, Р), а также граничные углы и углы раз­ рыва от нижней (у//, Ря) и верхней (у/,, fiL) границ очистной выработки в раз-

влияния, входит большинство методов с применением палеток, в основу кото­ рых положены функции распределения степени влияния элемента очистной выработки на точку земной поверхности, для которой производится расчет, а также некоторые из методов типовых кривых. К группе методов, основанных на теоретических моделях, относятся методы, базирующиеся на представлениях о механической или математической модели породного массива и на законах теорий упругости и пластичности (табл. 9). Строго разграничить методы при такой классификации невозможно — так, например, методы расчета, разра­ ботанные Кейнгорстом и Вальсом, основанные на функциях распределения, можно отнести также к эмпирическим методам, а метод Эрхардта — Зауэра — к методам по теоретической модели.

8.2.

Эмпирические методы расчета оседаний

Первые методы расчета оседаний земной поверхности основывались на полу­ ченном из данных наблюдений представлении, что оседание зависит от выни­ маемой мощности пласта и от угла его падения, а также от количества внесен­ ного в выработку закладочного материала и от времени, в течение которого происходило оседание. Незадолго до первой мировой войны и сразу же после нее появились формулы, в которых учитывалась зависимость оседания от пло­ щади очистной выработки — для этого вводился коэффициент, учитывающий уменьшение объема очистной выработки за счет разрыхления нарушенных по­ род [1 0 3 1 , или коэффициент, учитывающий отношение площади выемочного участка к площади зоны влияния горных работ на земную поверхность [191, 384]. Эта площадь зоны влияния определялась как площадь, вырезаемая из находящегося на данной глубине угольного пласта боковой поверхностью ко­ нуса, образующие которого наклонены к горизонту под углом разрыва, а вер­ шина лежит в рассматриваемой точке земной поверхности. Если при разра­ ботке пластов, налегающих иа малых глубинах, можно было удовлетворяться знанием ожидаемого максимального оседания в зоне обрушения и в воронко-

О б о з н а ч е н и и : г —горизонтальное залегание; н—наклонное и крутое залегание.