книги / Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений

В современных условиях конкурентной борьбы отечественной горной промышленности 1 с импортом топлива и других видов минерального сырья из-за океана значение науки о сдвижении горных пород возросло, так как не­ обходимо снизить затраты на защиту сооружений, составляющие в угольной промышленности 6—8% себестоимости добытого угля, обеспечив в то же время возможность разработки месторождений под застроенной территорией. Тем самым наука о сдвижении горных пород может способствовать освобождению от иностранной зависимости в деле обеспечения страны минеральным сырьем.

1 Имеется в виду горная промышленность ФРГ (примеч. переводчика)*

Сдвижение горных пород начинается в массиве скальных пород на горизонте очистной выработки и заканчивается у поверхности слоя рыхлых покрыва­ ющих пород (наносов), в котором находятся фундаменты сооружений и пахотные земли сельскохозяйственных угодий. В результате выемки полезного ископае­ мого образуется искусственно созданное пустое пространство и зависающие породы горного массива теряют опору, так что слои горных пород над вырабо­ танным пространством под действием силы тяжести прогибаются, причем деформации распространяются до земной поверхности, а объем выработанного пространства в большей или меньшей степени уменьшается. От того, как раз­ вивается во времени процесс уменьшения объема выработанного пространства, зависит величина сдвижений верхних слоев горных пород. Эти сдвижения и являются главным объектом изучения при разработке методов расчета сдви­ жений горных пород и земной поверхности. Конвергенция в горных выработ­ ках типа штреков ввиду небольшой ширины этих выработок играет второсте­ пенную роль в процессе смещений пород покрывающей толщи.

Рассмотрим влияние систем разработки на процесс сдвижения горных пород.

С точки зрения науки о сдвижении горных пород целесообразнее всего

Если кровля трудно поддается управлению или сложена водопроницае­ мыми породами, ее смещение во время очистных работ можно предотвратить, оставив между отдельными очистными выработками участки невынутого по­ лезного ископаемого. Такой способ разработки применяется при выемке мощ­ ных залежей руд или каменной соли при наличии крепких вмещающих пород. При этом залежь штреками подразделяется на ряд блоков, в которых затем производятся очистные работы (камерная система разработки) или расшире­ нием штреков отрабатываются боковые полосы (система ортовой выемки). Между камерами или ортами оставляются поддерживающие кровлю целики (рис. 1), которые под действием веса пород покрывающей толщи могут посте­ пенно деформироваться. Так, например, при разработке залежей каменной соли часто случается, что процесс сдвижения земной поверхности завершается только через 100 лет после начала разработки, когда оставленные соляные целики оказываются полностью раздавленными. Поэтому при исследованиях

Рис. 2.

Система сплошной выемки лавами по про­ стиранию:

j — зона опорного давления (разрабатываемый пласт); 2 — фронт очистных работ; з — приза­ бойное пространство; 4 — верхний (вентиляцион­ ный штрек); 5 — выработанное пространство, за­ полненное обрушенным материалом или заклад­ кой; 6 — нижний (откаточный штрек)

Система разработки лавами характеризуется большой длиной фронта очистных работ, большой площадью выемочных участков и значительной скоростью подвигания забоя. При этих условиях процесс сдвижения закан­ чивается обычно уже через два или три года после начала горных работ и на земной поверхности остается сравнительно пологая впадина — мульда оседания;

в) обрушение пород кровли (система выемки с обрушением).

При этой системе кровлю над выработанным пространством искусственно обрушают, чтобы не оставлять значительного пространства с консольно за­ висающими слоями пород кровли, могущими внезапно обрушиться и тем самым поставить под угрозу срыва дальнейшее ведение горных работ. Породы непо­ средственной кровли, отделяющиеся крупными глыбами от породных слоев основной кровли, должны при этом заполнить выработанное пространство рыхлым материалом (так называемая самозакладка) и создать податливую опору для пород основной кровли, прогибающихся почти без разру­ шения.

К группе систем разработки с обрушением можно также отнести приме­ няющуюся при эксплуатации рудных месторождений выемку системой под­ этажных штреков и выемку блоками [60]. При выемке системой подэтажных штреков (рис. 3), применение которой возможно при крутом падении рудного тела и достаточно устойчивых вмещающих породах, полезное ископаемое отрабатывается из очистных выработок (камер) высотой более 15 м через не­ сколько подэтажных штреков, а затем поступает на нижний откаточный штрек. При блочной выемке с обрушением (рис. 4) мощное рудное тело отрабатывается по всей его ширине — до контактов с вмещающими породами, подсекается по всей площади его основания и вынимается отдельными участками через нижние штреки с применением взрывных работ и использованием силы тяже­ сти. Подобным образом отрабатываются нижние горизонты при выемке систе­ мой подэтажных штреков с обрушением. Процесс обрушения распространяется до кровли рудного тела и в глубь верхнего целика (потолочины), что дает воз­ можность руде, находящейся в завале, и нарушенным породам докрывающей

Рис. 3.

Система разработки камерами с об­ рушением:

1 — подэтажные выработки; 2. — потоло­ чина; з — камера; 4 — выработанное про­ странство; 5\— целик; в — штрек; 7 — наклонный людской ходок

Рис. 4.

Система блочной выемки с обруше­ нием:

1 — очистная выработка; 2 — этажный штрек

толщи опускаться вслед за выпускаемой рудой, вследствие чего на земной поверхности образуются впадины типа мульд или грабенов.

Здесь мы йе рассматриваем системы разработки с выемкой полосами по вос­ станию или простиранию, при которых производится последовательная от­ работка полезного ископаемого полосами, имеющими, ширину, равную 1 — 3 ширины откаточной выработки. Эти системы разработки применяются при выемке крутопадающих рудных залежей (в частности жильного типа), залегающих в крепких вмещающих породах, так что сдвижения горных пород

имеют незначительную величину и, следовательно, для изучения процесса сдвижения горных пород такие системы не представляют интереса.

1.2.

Конвергенция в очистной выработке

При всех способах выемки полезного ископаемого производится подработка пород покрывающей толщи на большей или меньшей площади А на некоторой глу­ бине h. Вследствие этого подработанная часть горного массива, вес которой, равный произведению массы на ускорение свободного падения

до этого действовал на залежь полезного ископаемого равномерно распределен-

теряет устойчивую опору. Так, например, давление от веса пород покрыва­

кой или обрушенной породой в выработанном пространстве, но и невынутыми частями разрабатываемого пласта у контура выработки, так что слои пород кровли, не теряющие связи с остальным массивом, опускаются не в виде от­ дельного блока, а прогибаются подобно перекрывающей выработку толстой плите, лишь частично опираясь на заполняющий выработанное пространство материал. Остальная часть нагрузки передается пачкой обладающих изгибной жесткостью слоев горных пород на краевую зону пласта (зону опорного давле­ ния) или на опорные целики, где создается повышенное горное давление, рав­ ное сумме опорного давления и нагрузки от веса пород покрывающей толщи. Следствием неравномерного распределения горного давления с максимумом над краевой зоной пласта у контура выработки (А г на рис. 5) и зоной раз­ грузки над выработанным пространством, частично освобожденной от веса пород покрывающей толщи (А 2 на рис. 5), является направленное по нормали к напластованию сжатие пласта в краевой зоне, возрастающее к середине выработанного пространства уплотнение закладки или обрушенного материала и поднятие (пучение) пород почвы в разгруженной зоне очистной выработки.

При разработке пластов каменного угля сплошной системой (лавами) можно выделить три з о н ы с д в и ж е н и я , ограниченные в пространстве и во времени (рис. 5):

а) зона конвергенции впереди очистного забоя.

Оседание пород кровли начинает наблюдаться на расстоянии от 30 до 100 м впереди забоя; если в этом месте заложить в кровле и почве пласта мощностью от 1 до 3 м наблюдательные точки (реперы) Р х и Р а, то по мере подвигания

работке пластов угля системой сплошной выемки лавами:

7 — зона опорного давления; II — призабойное пространство; III — выработанное пространство; 1 — добавочное (опорное) давление; 2 — давление от веса пород покрывающей толщи; з — непосредственная кровля; 4 зазор между непосредственной кровлей и закладкой; 5 — почва; с0, сп>п и сп — конвергенция

соответственно в зоне опорного давления, призабойном пространстве и выработанном пространстве

забоя можно наблюдать изменение расстояния между ними, а именно: сближе­ ние или конвергенцию с, складывающуюся из оседания кровли ск и незначи­ тельной части поднятия почвы сп; эта конвергенция достигает 20% первона­ чальной мощности пласта М.

Причиной конвергенции впереди очистного забоя является опорное давле ние, под действием которого сравнительно слабый угольный пласт сжимается и выдавливается в выработанное пространство до 10 см. При этом породы кровли оседают на столько, на сколько деформировался пласт, и у кромки забоя происходит также поднятие пород почвы. Деформированию пласта препятствует боковое сопротивление вмещающих пород. Вследствие того, что сопротивление угольного пласта сжатию меньше опорного давления, уголь­ ный пласт разрушается и смещается по плоскостям, ориентированным под углом к направлению действия нагрузки, преодолевая сопротивление трения по поверхностям разрушения. В области развития этих деформаций может происходить поддутие пород почвы. Дальнейшему развитию процесса попереч­ ного деформирования угольного пласта препятствует его зажатие между сближающимися кровлей и почвой;

б) зона конвергенции в призабойном пространстве.

На участке, расположенном на некотором расстоянии от забоя в сторону

(па рис. 5 положение P\Pi) до извлечения (выбойки) последнего ряда стоек крепи (на рис. 5 положение P\P'i) конвергенция в призабойном пространстве сп> „ достигает нескольких дециметров. Породы почвы в пределах призабойнога пространства поднимаются на 10—20 см.

Гидравлические стойки крепи в призабойном пространстве, имеющие среднее сопротивление порядка 240 кН, при плотности крепи 1 стойка/м2 не в состоянии поддерживать всю кровлю на такой большой площади, не по­ зволяя ей опускаться. Призабойная крепь должна только предотвратить прежде­ временное отслоение непосредственной кровли и уменьшить величину рас­ крытия трещин, а также настолько ограничить оседание кровли, чтобы умень­ шить степень зажатия угольного пласта, тем самым облегчив его выемку, воспрепятствовать отделению крупных глыб пород непосредственной кровли, могущих обрушиться, и предотвратить возможность обрушения отслоившихся пород, могущих опрокинуть ряды стоек крепи и создать завал призабойнога пространства;

в) зона конвергенции в выработанном пространстве.

В выработанном пространстве породы кровли вновь находят опору в виде закладки или обрушенных пород, кривая оседаний кровли здесь выполаживается и слегка выпукла. Примерно в 100 м позади последнего ряда стоек крепи так называемая концевая зона конвергенции в выработанном пространстве сп заканчивается и здесь (на рис. 5 положение PY'P'z") давление кровли на за­ кладку достигает величины, равной нагрузке от веса пород покрывающей толщи. Упругое поднятие пород почвы, достигающее в среднем 6% вынимаемой мощности пласта [246], распространяется как деформация изгиба и разгрузки только в пределах умеренно уплотненной краевой зоны выработанного про­ странства и к середине выемочного участка полностью компенсируется под действием значительного давления со стороны пород кровли. Таким образомг общая величина конвергенции, т. е. сближения наблюдательных точек Р х и Р 2, от их начального положения в зоне опорного давления до завершения

а при выемке с обрушением — 90% вынимаемой мощности пласта М (табл. 1). В середине площади полной или сверхполной подработки (см. подраздел 7.2} общая конвергенция С в очистной выработке соответствует наибольшему воз­ можному оседанию земной поверхности в центре мульды, так как здесь пород­ ная толща после периода деформаций (сжатий и растяжений в вертикальном

направлении) вновь приобретает первоначальную мощность от очистной вы­ работки до земной поверхности.

Рыхлый закладочный материал (например, при так называемой пневма­ тической закладке), состоящий из дробленой пустой породы или хвостов мок­ рого обогащения с крупностью частиц до 70 мм, начинает поддерживать кровлю только после предварительного уплотнения, т. е. после того, как кровля опу­ стится на величину зазора между поверхностью закладки и кровлей (примерно 15% мощности закладки), и после того, как произойдет последующая конвер­ генция за счет уплотнения закладки (около 14% мощности закладки). По мере увеличения горного давления и степени уплотнения закладки все большее количе­ ство частиц закладочного материала принимает участие в поддержании кровли, причем сопротивление закладки деформированию возрастает пропорционально площади поверхностей трения слагающих ее частиц и пропорционально нор­ мальному давлению на поверхностях соприкосновения этих частиц. Таким об­

конвергенции имеет вид логарифмической кривой, для условий Рурской об­ ласти описываемой уравнением

и показанной на рис. 6 [154]. Здесь с — величина сжатия закладки в процен­ тах от ее первоначальной высоты и р — давление на закладку, Н!см2.

После того как конвергенция закладки достигнет 45%, закладочный массив под действием высокого давления, превышающего 2000 Н!см2, уплот­ нится только на остающиеся 15%. Коэффициент жесткости закладки Es, при ее сжатии на 10% составляющий около 6 Н/см2, при сжатии на 40% возрастает до 240 Н/см2. В отличие от этого коэффициент постели сь, равный приросту давления, необходимому для увеличения конвергенции на 1 сМ, возрастает приблизительно по линейному закону — от 180 Н/см3 при давлении 1000 Н/см2 до 350 Н/см3 при давлении 2000 Н/см2. Из рис. 6 можно видеть, что при давле­ нии от веса пород покрывающей толщи 2000 Н/см2, соответствующем глубина разработки 800 м, уплотнение закладки происходит на 60%. С учетом конвер­ генции в зоне опорного давления и в предзабойном пространстве, составляющей около 20% (при мощности закладочного массива, равной 80% №), это даст общую конвергенцию в середине выемочного поля, равную (относительно

кровли хотя и несколько нарушается, но все же опирается на закладку как единое целое, сохраняющее жесткость на изгиб, то при выемке с обрушением породы непосредственной кровли (чаще всего сланцеватой структуры) после выбойки последнего ряда стоек призабойной крепи обрушаются # слои пород основной кровли над призабойным пространством продолжают удерживаться только за счет собственной изгибной жесткости. В этом случае функции за­ кладки принимает на себя обрушенная порода в виде крупных глыб размером до тройной мощности вынимаемого пласта. На обрушенную массУ? имеющую коэффициент разрыхления от 1,5 до 2,5, опираются постепенно пригибающиеся слои основной кровли. Прогиб слоев основной кровли при выемке с обрушением почти вдвое больше прогиба при выемке с закладкой, а поэтому в этих слоях, сложенных как правило хрупким песчаником и подвергающихся изгибающим