книги / Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений
..pdfХП 1996 г.
Рис. 13.
Влияние тектоники на конвергенцию в очистной выработке:
1 и 2 — кривые, построенные для расстояния от добычного забоя, соответственно равного 2 и 4 м [136]
Рис. 14.
Схема распределения горного давления при камерной разработке пласта каменной соли [ 77 ];
I — зона добавочного (опорного) давления; II — зона неполной нагрузки на целики; III — зона полной нагрузки на целики; IV — зона опорного давления; V — выемочное поле (очистные выработки и разделя ющие их целики); h — уровень давления от веса пород покрывающей толщи:
1 — камера; 2 — целик
150 м, нагрузка оказывается меньше, чем в его середине или в краевой зоне соляного пласта (рис. 14). Дополнительное горное давление распространяется в глубь нетронутой части соляного пласта на расстояние до 250 м.
Таким образом, при камерной системе разработки наблюдаются такие же закономерности процесса сдвижения с образованием зон сжатия в породах кровли, как и при разработке системой сплошной выемки, если междукамерные целики проявляют податливость. Целики каменной соли при длительном действии нагрузки, превышающей 1000"Н/см2, деформируются неупруго (пла стично), причем их высота уменьшается, а ширина увеличивается. При
Рис. 15.
Реологическая зависимость растяжения соляных пород в условиях длрггелыю действующей нцгрузкн:
Т — первичная стадия |
затухающей |
ползучести; II |
|
вторичная стадия установившейся ползучести |
(при дли |
||
тельно действующей нагрузке 2000 Н/см2); III |
— трстг)Я |
||
стадия прогрессирующей ползучести |
при весьма высоких |
||
нагрузках; IV — зона |
мгновенной упругой деформации |
длительно действующей нагрузке более 2000 Н/см2 начинается вторичная пласти ческая деформация текучести (рис. 15), в результате которой через 50 лет происходит заполнение выработанного пространства камер на 50%, а через 100 лет — на 70%. Одновременно с пластическим деформированием целиков происходит обрушение отслоившихся соляных плит или коржей, а также пучение почвы, выражающееся в образовании разломов и внедрении целиков в слабые породы почвы на глубину до 20 см. В закладке боковая поверхность целиков находится под давлением, и при большой нагрузке они сначала уплот няются, а затем деформируются. Максимальное оседание кровли чаще всего составляет от 30 до 40%М , а при постоянной мощности соляного пласта зави сит от отношения площади целиков к общей площади выемочного участка.
Пример. Если при системе разработки, показанной на рис. 1, площадь всех камер в выемочном участке составляет 275 м2, а площадь целиков 125 м2, то полностью раздавлен
ные целики заполнят выработанное пространство на |
125 |
= 0,31 первоначальной |
|
275+125 |
|||
|
|
высоты камер и целиков и, следовательно, кровля осядет на 0,69 М, При таком отношении площади целиков к площади выемочного участка в средней части выемочного поля на це лики будет действовать нагрузка, на 69% превышающая горное давление от веса пород покрывающей толщи, которое на глубине 800 м составит 2000 + 1380 = 3380 Н/см2.
|
При |
разработке |
соляных месторождений с п о с о б о м |
в ы щ е л а ч и |
|
в а н и я |
можно принять, |
упрощенно, что выработанное пространство имеет |
|||
вид |
опрокинутого кругового конуса с радиусом |
|
|||
|
г — |
|
|
|
со |
|
|
|
|
|
|
где |
Q — количество |
соли |
плотностью р = 2 , 1 г/см 3, добытой |
из соответству |
|
ющей скважины. |
|
|
|
Часто случается, что фактический объем воронки выщелачивания ока зывается меньше расчетного в связи с опусканием кровли и увеличением ши рины целиков, так как, с одной стороны, ангидрит и глина во вмещающих породах при притоке воды могут разбухать до 30% и, с другой сторон ы , при
Рис. 16.
Схема образования пустот в залежи каменной соли при ее разработке способом выщелачи вания:
1 — буровая скважяна; 2 — ангидрит; з — залежь каменной соли; 4 — воронка выщелачивания
больших интервалах зондирования положение кровли на чертеже может быть показано только приблизительно (рис. 16).
1.4.
Горизонтальные сдвижения пород кровли
До сих пор рассматривались вертикальные сдвижения наблюдательных точек в кровле и почве пласта. Однако точки породных слоев кровли смещаются не строго отвесно или по нормали к напластованию, а движутся по сложным траекториям (криволинейным и петлеобразным), причем вертикальная соста вляющая такого сдвижения обычно в несколько раз больше горизонтальной составляющей. Поэтому кривые оседания кровли, показанные на рис. 8, от ражают конечное или промежуточное состояние нижней поверхности пород ного слоя кровли. Горизонтальные сдвижения точек кровли мало изучены, поскольку они не являются основным показателем, необходимым для расчета сдвижений горных пород, и, кроме того, потому, что величина таких сдвиже ний на поверхности, ограничивающей выработанное пространство сверху, зависит от слишком большого числа различных влияющих факторов. Сдви жение приходится измерять на доступных участках нижней поверхности по родного слоя кровли, где часто трение по контактам слоев и разрывные дефор мации проявляются настолько сильно, что ожидаемые горизонтальные сдви жения, обусловленные прогибом кровли, не поддаются измерению, так как их перекрывает сдвижение пород в зоне опорного давления по направлению к очистной выработке. Такое «раскатывание» пород кровли к выработанному пространству вызывается вертикальным дополнительным горным давлением и способствует поперечному сжатию кровли в зоне закладки, вызванному происходящим вертикальным растяжением вследствие разгрузки.
Измерения г о р и з о н т а л ь н ы х с д в и ж е н и й |
п о р о д к р о в л и |
в опережающих выработках, пройденных в зоне опорного |
давления, показали, |
что в результате ведения очистных работ впереди очистного забоя возникают
2 Заказ 744
Рис. 17.
Траектория сдвижения точки в кровле и точки в почве очистной выработки (в проекции на го
ризонтальную плоскость) |
при кровле t сложен |
|
ной хрупкими породами [465]: |
||
1 — забой; |
2 — опережающая |
выработка; сплошная и |
пунктирная |
линия — сдвижение точки соответственно |
позади и впереди забоя
100ИИ 50
деформации растяжения, а в пределах выработанного пространства — де формации сжатия [465]. Пункты, закрепленные в кровле в зоне опорного давления, при прохождении забоя через наблюдательную станцию сместились примерно на 5 см, а над краевой зоной поля закладки — примерно на 10 см в сторону выработанного пространства (рис. 17). Сдвижения в сторону выра ботанного пространства показали также измерения смещений точек кровли, выполненные в основном в выемочном штреке по простиранию (по оси штрека)
и по падению — 13,5° (рис. |
18). Горизонтальные сдвижения кровли, сложен |
||||||
ной хрупким |
песчанистым |
сланцем, начинаются в |
30 м впереди |
очистного |
|||
забоя [106]. |
Величина горизонтальных |
сдвижений |
по |
падению |
после |
про |
|
хождения забоя через наблюдательную |
станцию быстро |
возрастает до |
4 см, |
а позднее почти до 6 см. Сдвижения по простиранию достигают 3 см, и вели чина их вновь начинает убывать только на расстоянии 180 м позади забоя. В направлении простирания непосредственно впереди и позади очистного забоя и довольно далеко в выработанном пространстве с закладкой устано влено также наличие деформаций растяжения до 0,4 мм/м, несмотря на то что кривизна нижней поверхности кровли в зоне опорного давления и в при
забойном пространстве |
является |
вогнутой. |
|
ном |
Указанное взаимное положение разрывных и изгибных деформаций в дан |
||
случае можно рассматривать |
в зависимости от системы трещиноватости |
||
как |
с к о л ь ж е н и е |
блоков пород по поверхности трещин (рис. 18,6). |
В зоне опорного давления угольный пласт, претерпевающий поперечное де формирование под действием повышенного горного давления, увлекает вме щающие породы в своем движении к выработанному пространству. В При забойном и выработанном пространстве трение по контактам и поддержива ющая кровлю жесткая опора отсутствуют, поэтому деформации растяжения, возникающие при оседании кровли, приводят к уменьшению величины нор мального давления на поверхностях трещин, так что сила тяжести породных блоков временно становится больше, чем силы трения по поверхностям раз рыва. и в слоях пород возникают «плоскости скольжения». Начиная с расстоя ния 180 м позади забоя, горизонтальные сдвижения по простиранию начинают уменьшаться, из чего можно сделать вывод, что здесь имеют место доформа-
а
Горизонтальные сдвижения точки в кровле этажного выемочного штрека [106]:
I — краевая зона угольного пласта впереди забоя; II — выработанное пространство, заполненное за кладкой; 1 и 2 — составляющие сдвижения соответственно по простиранию и падению пласта; з — кривая растяжения; 4 — кривая сжатия; 5 — кривизна выпуклости; 6 — кривизна вогнутости; 7 — нетронутый массив угля; 8 — первоначальное положение непосредственной кровли; 9 — закладка; S — расстояние от угольного забоя
ции сжатия. По-видимому, на этом участке восстанавливается боковой распор и блоки горных пород под действием возрастающего горного давления вновь претерпевают поперечное удлинение.
Впереди и позади забоя, от которого начинались очистные работы, должно также происходить смещение блоков пород кровли по направлению к зало женному выработанному пространству. Таким образом, кривые горизонталь ных сдвижений на разрезе по простиранию идут от обоих забоев к некоторой точке А , лежащей недалеко от неподвижного забоя, в которой смещение равно нулю (см. рис. 18). С момента прекращения очистных работ до достижения полного равновесия массива горных пород эта точка еще немного смещается к середине выемочного поля.
В отличие от рассматриваемых во второй части этой книги сдвижений земной поверхности, с увеличением размеров выемочного участка горизонталь ные сдвижения точек кровли над полем закладки возрастают лишь незначи тельно; они зависят главным образом от величины оседания кровли и от пред определенного трещиноватостью направления сдвижений. Точка нулевых сме щений А также не перемещается вместе с подвиганием очистных работ, а сле дует за движением добычного забоя с некоторым запаздыванием во времени
2*
и лишь на небольшом протяжении. Таким образом, процесс сдвижения в пло скости отрабатываемого пласта зависит не только от действия гравитационных сил, а траектории сдвижений породных блоков в значительной мере опреде ляются также положением поверхностей разрыва.
Если связь между слоями непосредственной и основной кровли и между блоками горных пород в каждом слое сохраняется, как это имеет место при незначительном оседании кровли (при разработке с пневматической закладкой или с оставлением целиков и при отсутствии скольжения по поверхностям разрыва), то, в отличие от схем, показанных на рис. 17 и 18, при изгибе ниж ней пачки слоев пород над призабойным пространством возникают деформа ции сжатия, а над выработанным пространством — деформации растяжения. Непосредственная кровля над податливой опорой у контура выработки сме щается так, что блоки горных пород опрокидываются в сторону нетронутого массива, и в результате наблюдательная точка при приближении очистных работ смещается внутрь зоны опорного давления. После подработки наблю дательной точки она начинает сдвигаться в обратном направлении к закладке, пока наблюдательная точка не окажется в середине выемочного участка, от куда она должна теоретически возвратиться в свое первоначальное положение с учетом составляющей сдвижения, направленной в сторону зоны опорного давления. Таким образом, наибольшее горизонтальное сдвижение точек кровли при подработке будет иметь место над контуром очистной выработки.
Имеющиеся в литературе данные о наблюдениях за сдвижением кровли, противоречащие приведенным, например, в работе [290], объясняются раз личиями в характере деформирования непосредственной кровли (упругий изгиб пачки породных слоев или разрывные деформации в сочетании со сколь жением), а также различием в выборе исходного момента времени при исследо ваниях (в одном случае наблюдения велись с момента первого проявления сдвижений, а в другом — после подработки наблюдательной станции и выхода ее в выработанное пространство). Так, например, в точке, закрепленной в не посредственной кровле над добычным забоем, даже при чистой деформа ции изгиба измерения показывают только возрастающие по величине сдвиже
ния в сторону поля закладки, т. е. фиксируют только |
возвратную фазу сдви |
жений. |
|
При н а к л о н н о м з а л е г а н и и пластов |
оседание кровли проис |
ходит преимущественно по нормали к напластованию, поэтому дополнительно производятся измерения составляющей сдвижения в направлении, по восста нию пласта, а при проведении наблюдений в штреках (см. рис. 17) — соста вляющей сдвижения, направленной к оси штрека.
ДЕФОРМАЦИИ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД
2.1.
Зоны сдвижений в слоях пород кровли
Рассмотренное в предыдущем разделе сдвижение непосредственной кровли над очистной выработкой распространяется и на верхние слои горных пород, если отработанный участок имеет такие размеры, при которых свод над выра ботанным пространством разрушается (см. рис. 7). При оседании нижних слоев кровли ее верхние слои теряют опору, поскольку вследствие горизон тального перемещения по контактам сцепление между слоями отсутствует. Не поддерживаемые снизу породные слои начинают опускаться под действием
собственного веса и внешних нагрузок и |
опираются на уже осевшие слои. |
||||
В результате процесс оседания очень быстро распространяется |
от |
одного |
|||
породного слоя к другому до земной поверхности. При |
этом |
в |
массиве |
||
горных |
пород можно выделить шесть з о н |
с д в и ж е н и я , |
различающихся |
||
по характеру деформирования породных |
слоев (рис. 19): |
|
|
|
|
а) слои пород почвы, упруго подДувающиеся при их разгрузке в напра |
|||||
влении, |
нормальном к напластованию; |
|
|
|
|
б) разрабатываемый пласт и слой закладки, неупруго (пластически) сжи мающиеся под действием увеличенного горного давления в зоне впереди забоя или под действием нагрузки от опускающейся кровли в выработанном про
странстве;
Распределение вертикальных деформаций в подработанном массиве горных пород при горн-
< |
/| |
_____ ‘ * |
о и п а и и / п а ш д , г и х |
----- о и ш » |
— оседание непосредственной |
кровли; 2 — оседание |
в зоне |
||
растяжения и вертикальном направлении; i — ' |
|
|
|
|
опорного давления; |
з — очистная выработка |
|
|
|
Т А Б Л И Ц А |
3 |
|
|
|
Зона сдви |
Характер |
Характер |
Вид деформаций |
Влияющие |
жения |
сдвижения |
деформаций |
факторы |
Слои по |
Поднятие |
п под- |
Упругая |
раз |
По нормали к на |
Размер выемоч |
||||||||||
род почвы |
дутие |
|
|
|
грузка |
|
|
пластованию: |
сжа |
ного участка, выни |
||||||
Угольный |
Обжатие п уплот |
Пластическое де |
тие |
над |
областью |
маемая |
мощность, |
|||||||||
пласт и за |
нение |
|
|
|
формирование, хру |
впереди |
|
забоя, |
глубина |
разработ |
||||||
кладка |
|
|
|
|
пкое |
разрушение, |
растяжение |
|
над |
ки, конвергенция |
||||||
|
|
|
|
|
поперечная |
дефор |
очистной |
выработ |
закладки, |
изгиб- |
||||||
|
|
|
|
|
мация по поверхно |
кой. |
|
Параллельно |
ная |
жесткость, |
||||||
Непосред |
Направленное |
стям |
ослабления |
напластованию: ра |
положение |
точки |
||||||||||
Разрывные де |
стяжение в нижних |
относительно |
за |
|||||||||||||
ственная |
смещение по повер |
формации с образо |
слоях кровли и в боя, угол падения |
|||||||||||||
кровля |
хностям |
разрыва |
ванием небольших |
верхней части обла |
пласта, |
степень на- |
||||||||||
Основная |
трещин |
|
|
(места |
по размеру кусков |
сти |
впереди |
забоя, |
рушенности пород |
|||||||
Прогиб |
|
Упругое |
дефор |
сжатие в верхних |
|
|
|
|||||||||
кровля |
ми |
образование |
мирование, |
перио |
слоях |
кровли |
и в |
|
|
|
||||||
|
пустот Вебера) |
дическая |
посадка |
нижней |
части |
об |
|
|
|
|||||||
Средняя |
Равномерный |
кровли |
дефор |
ласти |
впереди |
за |
|
|
|
|||||||
Упругое |
боя |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
зона |
прогиб, |
возможно |
мирование, |
проч |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
расслоение |
за счет |
ность массива с уче |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
сдвига, |
|
|
парал |
том ослаблений |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
лельного |
|
напла |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Поверх |
стованию |
|
слоев |
Пластическое де |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Оседание |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
ностная |
на жестком |
осно |
формирование |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
зона |
вании |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в) слой непосредственной кровли, который над выемочным участком от деляется от более жесткой основной кровли, разрушается и ложится на за кладку, сохраняя сцепление между дородными блоками под действием боко вого распора, или (при выемке без закладки) обрушается крупными глыбами и заполняет выработанное пространство;
г) основная кровля, которая над выемочным участком постепенно оседает, плавно прогибаясь, пока ее не станет поддерживать закладка или обрушенный материал, а впереди забоя — сжатый угольный пласт, или же которая при определенном консольном зависании над движущимся забоем обрушается
через определенные |
интервалы |
(циклическое горное давление); |
д) средняя зона, |
состоящая |
из мощных слоев крепких пород, которые |
равномерно и в основном упруго прогибаются, причем по отдельным межслое вым контактам происходит взаимный сдвиг относительно друг друга;
е) поверхностная зона, состоящая из слоев рыхлых пород, которые оседают вслед за поверхностью толщи крепких пород, как пластически деформиру ющееся покрытие, образуя впадину корытообразной формы (табл. 3).
2.2.
Вертикальные сдвижения
идеформации массива горных пород
Вслоях пород непосредственной и основной кровли, подверженных воздей
ствию высокого давления над добычным забоем, уже дри незначительном их сдвижении быстро возникают напряжения, превышающие предел упру гости (см. рис. 7), и поэтому в этой области преобладает упруго-пластическое деформирование породных слоев, под которым понимается упругий прогиб консолыю зависших или находяшихся под действием сил трения отдельных участков слоя горных пород с последующим отрывом и скольжением отдельных породных блоков по тектоническим или заново образовавшимся поверхно стям разрыва. Последующие обрушения происходят в виде последовательного отрыва зависающих на расстоянии до 30 м позади движущегося забоя участков непосредственной кровли и внезапной посадки пород основной кровли [791. Отрыв породных блоков непосредственной кровли происходит по трещинам разрыва (при изгибе) или среза, в зависимости от того, будет ли раньше достигнут предел прочности на растяжение при изгибе (на верхней поверх ности слоя) или предел прочности на сдвиг в зоне сжатия (рис. 20). В по следнем случае слой пород кровли или срезается по нормали к напластованию над жесткой опорой, которой является линия фронта очистного забоя, или, если породы кровли могут смещаться к выработанному пространству параллельно напластованию (скользящий отрыв) и при этом разгружаться, то под действием опережающего опорного давления слой пород кровли разбивается еще впереди забоя на большое число обломков (развальцовывается).
Соотношение упругого изгиба и пластического перемещения блоков за висит от изгибной жесткости пород, их склонности к хрупкому разрушению, имеющихся систем трещин и составляющей сжатия горного давления, а также от величины кривизны (т. е. от мощности пласта) и нагрузки (т. е. от глубины разработки). При исследовании состояния кровли в одном гезенке, пройден ном через три года после отработки выемочного участка с обрушением кровли, было установлено, что нарушенность породного слоя трещинами в направле нии кверху ослабевает и в 15 м над бывшей очистной выработкой видимых признаков нарушенпости уже нет [390]. Обрушение кусков породы размером с булыжник закончилось на высоте, примерно вдвое превышавшей мощность пласта.
В крепких породах средней зоны преобладает упругое деформирование. Слои пород этой зоны искривляются над очистным забоем не так сильно, как непосредственная кровля, и прогибаются без разрывных нарушений. Однако при изгибе этих слоев в них могут происходить смещения за счет скольжения по поверхностям тектонических нарушений и по поверхностям разрыва, обра зовавшимся от воздействия ранее проводившихся горных работ. В нижней части средней зоны, т. е. вблизи зоны разрывных деформаций, кривая оседа ний слоев горных пород имеет S-образную форму (см. рис. 8), как это пока зали измерения оседаний кровли в штреке, пройденном в 50 м над очистной
выработкой |
[418] (рис. |
21). |
В области перехода от кривизны выпуклости |
к кривизне |
вогнутости, |
т. е. |
вблизи точки перегиба кривой над границей |
Рис. 20. |
виды |
разрывных |
деформаций |
Основные |
|||
пород основной |
кровли [79]: |
|
|
а — изгиб; |
б — срез; в — сдвиг; |
1 — основная |
кровля; сложенная крепкими (устойчивыми) по родами; 2 — непосредственная кровля; з — пласт крепкого (устойчивого) угля; 4 — отрыв со скольжением
очистной выработки, может происходить расслоение пачки слоев, если слои слабых пород (например глинистого сланца) перекрываются слоями крепких жестких на изгиб пород (например песчаника) и если по поверхностям кон тактов легко может произойти разделение этих слоев. Верхние, жесткие на изгиб слои прогибаются в меньшей степени, чем нижние, и между ними могут образоваться пустоты шириной до нескольких миллиметров — так на зываемые пустоты Вебера (см. рис. 7), перемещающиеся вместе с подвиганием очистного забоя и вновь закрывающиеся, когда они оказываются уже над выработанным пространством.
В сложенных крепкими породами слоях средней зоны может также про исходить сдвиг по поверхностям разрыва природного происхождения. В про гибающейся мощной толще слоев горных пород возникают параллельные напластованию сдвигающие напряжения, которые, подобно тому, как это имеет место в балках строительных конструкций, убывают по закону пара болы от максимального значения по средней оси пачки слоев до нуля на по верхностях раздела, соответствующих краевым поясам балки, стремясь сме стить отдельные породные слои один относительно другого и разделить их, как это хорошо можно видеть у концевой опоры прогнувшегося штабеля до сок (рис. 22). Как только напряжения сдвига превысят величину сил сцепле ния и сил трения на межслоевых контактах, мощная толща слоев распадается на две или более тонких пачек (разрушение сдвига). В некоторых шахтйх наблюдались смещения пород по межслоевым контактам, достигавшие 50 см.
Верхние слои массива горных пород, сложенные песчаными или глини стыми породами, а также зона выветривания выходящих на земную поверх ность пород угленосной толщи при образовании мульды оседания деформиру ются преимущественно неупруго и пластично. Эти слои обладают прочностью на растяжение и следуют за оседающими подстилающими породами, как слой, очень слабо работающий на изгиб. При этом минеральные частицы, слагающие породные слои поверхностной зоны, смещаются одна относительно другой