книги / Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений

Рис. 28.

Куполообразный вывал пород кровли в очист­ ной выработке, пройденной на небольшой глу­ бине от поверхности:

1 — зона разрывных деформаций; 1 — провал на земной поверхности; 2 — оседание; з — песок; 4 — мергель; 5 — пластообразная рудная залежь

2.5.

Провалы на земной поверхности при ведении горных работ на Гнебольшой^глубине

При выемке полезного ископаемого вблизи земной поверхности возможно возникновение провалов, происходящих до или после оседания земной поверх­ ности. Маркшейдерские наблюдения на Пейнском железном руднике (ФРГ) показали, что при обрушении кровли, сложенной мергелистыми породами, над очистной выработкой образуется купол [454], и если этот купол достигает опре­ деленных размеров по ширине и высоте, при которых слои мергеля уже не мо­ гут удержать вес покрывающих делювиальных отложений, то на земной по­ верхности образуется воронкообразный провал, причем слои массива горных пород разгружаются и вокруг провала грунт оседает, образуя впадину (рис. 28). Провал может и не произойти, если в выработку обрушилось доста­ точное количество породных глыб, образующих в разрыхленном состоянии новую опору для нарушенных слоев кровли, или если образованию купола препятствует длинный фронт очистных работ. В последнем случае в условиях Рурской области ФРГ провалы не возникают и слои пород кровли опускаются, образуя мульды оседания. Коэффициент оседания при разработке на небольших глубинах составляет только 0,7 вместо 0,9 при большой глубине разработки. Зазор около 30 см, остающийся между затяжкой и породами кровли над подго­ товительными выработками, пройденными на глубинах 50, 100 или 200 м, при­ водит к оседанию земной поверхности соответственно на 2, 1 или 0,5 см.

2.6.

Развитие процесса сдвижения во времени

Возникшие в результате проведения очистной выработки сдвижения пород распространяются до земной поверхности лишь после достижения определен­ ной площади выемки. Выполненные в шахтных условиях измерения показы­ вают, что при удалении очистных работ на 100 м от шахтного ствола (при длине забоя 120 м) возникающая в массиве горных пород область оседаний и дефор­ маций растяжения простирается вверх по стволу только на 100 м (кривая 1

Оседание, см

Рис. 29.

Развитие вертикальных дефор­ маций пород вдоль оси шахт­ ного ствола при отработке околоствольного предохрани­ тельного целика от центра к периферии [46]

Выр. */°J

на рис. 29). За время последующего годичного перерыва в ведении горных работ область деформаций распространяется в массиве и вдоль шахтного ствола дальше (кривая 2). Первые значительные оседания у верхней приемной пло­ щадки шахты начинают наблюдаться через 5 мес после возобновления горных работ, когда размер очистной выработки по простиранию достигает 350 м (кри­ вая 3).

Таким образом, в начальной стадии горных работ в процессе сдвижения участвует только нижняя область средней зоны массива горных пород, причем возникающее на разрабатываемом горизонте оседание компенсируется за счет деформаций и расслоения пород в вышележащих слоях горного массива. При дальнейшем развитии горных работ, когда размер выработки по простиранию достигает примерно 300 м, возросший объем оседаний уже не может быть ском­ пенсирован деформациями горных пород, и оседание распространяется на выше­ лежащие слои пород. С этого времени прогибается уже весь подработанный массив, однако вследствие внутреннего деформирования оседание на отдель­ ных горизонтах горного массива имеет различную величину; при этом любое нарушение равномерности подвигания очистных работ, как, например, прекра­ щение их в выходные дни, проявляется в ускорении или замедлении процесса сдвижения. Следуя сменному ритму ведения очистных работ, оседание отдель­ ных точек массива горных пород происходит скачкообразно, как это подтвер­ ждают сейсмические наблюдения. Длительная задержка в развитии процесса оседания возможна только в том случае, если вышележащие слои горных пород обладают большой изгибной жесткостью и поэтому опускаются полностью на

Рис. 30.

Развитие во времени оседания тонки № 5, заложенной на расстоянии около 50 м над очист­ ной выработкой [418]:

1 и 2 — дополнительное оседание соответственно при остановленном и движущемся забое; 3 — дополнитель­ ная выработка 400 мв; 4 — возобновление очистных работ

уже осевшие нижележащие слои только после значительного увеличения раз­ меров выработанного пространства.

Скорость оседания ряда точек массива горных пород, лежащих на одной вертикальной линии, все время изменяется в соответствии с изменением поло­ жения фронта очистных работ и интенсивности деформирования горного мас­ сива. Так, например, при симметричной отработке угольного пласта в обе сто­ роны от ряда наблюдательных точек местоположение точки с наибольшей ско­ ростью оседания смещается снизу вверх [245]; в случае, показанном на рис. 29, наибольшие разности оседаний, полученные из двух серий наблюдения, имели место сначала в породах основной кровли, затем в средней зоне породного мас­ сива и, наконец, в ближайших к земной поверхности слоях. Если очистные работы не удаляются от наблюдательной станции, а приближаются к ней, на­ блюдается обратное явление — максимум скорости оседания смещается с тече­ нием времепи сверху вниз. В обоих случаях наибольшая по абсолютной вели­ чине скорость оседания наблюдается в слоях пород непосредственной и основ­ ной кровли в момент подработки наблюдательного пункта. В центре площади полной подработки окончательная величина оседания на всех горизонтах массива одинакова (кривая 4).

Развитие во времени процесса сдвижения подработанной точки массива горных пород показано на рис. 30. В точке, лежащей в 50 м над очистной

выработкой (глубина разработки 600 м), сдвижения начались, как только фронт очистных работ приблизился к наблюдательной точке (в плане) на 45 м. Очист­ ные работы не проводились с февраля 1959 г. до июня 1960 г. Штрихпунктирной линией показан предполагаемый ход оседания, если бы очистные работы велись без перерыва. Скорость подвигания очистных работ составляла 0,8 м/сут. Дальнейший ход процесса сдвижения можно на основе выполненных наблюде­ ний разделить на три стадии в зависимости от последовательных положений фронта очистных работ [418].

На I стадии слои пород кровли оседают на несколько сантиметров под влиянием возникновения впереди забоя зон опорного давления и первичной конвергенции (в сжатой краевой зоне пласта). На II стадии, в связи с подработ­ кой наблюдательной точки и с развитием разрывных деформаций и скольжения по поверхностям трещин, почти без всякого перехода происходит быстрое осе­ дание, переходящее в третью стадию после того, как очистной забой выйдет из области влияния на данную точку, или после того, как очистные работы будут прекращены. На III стадии сдвижение происходит за счет постепенного уплотнения нарушенных пород кровли и закладки в выработанном простран­ стве. Эта стадия воздействует как импульс, активизирующий дальнейшее развитие процесса сдвижения в вышележащих слоях массива горных пород, вплоть до земной поверхности. Возобновление горных работ в районе той же наблюдательной точки вновь активизирует развитие сдвижений, которые после оседания непосредственной кровли на величину, равную ахМ , снова проходят через две или (с начальной стадией) через три стадии развития (см. рис. 30).

С начала горных работ и до полного затухания процесса сдвижения в дефор­ мирующейся области массива горных пород непрерывно происходят нарушения статического равновесия, связанные с разработкой полезного ископаемого и с проходящей в подземных выработках конвергенцией, так что контуры обла­ стей растяжения и сжатия все время меняются, а деформации в отдельных точ­ ках увеличиваются или уменьшаются.

РАСЧЕТ СДВИЖЕНИЯ В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД

3.1.

Общие предпосылки, принимаемые при расчетах

Сдвижения подработанного массива горных пород поддаются расчету извест­ ными математическими способами лишь при условии принятия ряда упроща­ ющих допущений относительно строения породного массива горных пород, его деформационных свойств и протяженности. Так, в большинстве расчетных методов массив горных пород рассматривается как с п л о ш н а я с р е д а, отдельные составные части которой (минеральные частицы, породные слои, теоретически выделенные геометрические элементы и т. п.) настолько прочно связаны силами сцепления, что массив горных пород деформируется как единое однородное целое и во всех своих частях обладает одинаковыми свойствами. Деформационные свойства этого массива можно принимать упругими или пла­ стическими, и его можно считать изотропным (т. е. проявляющим свои свойства во всех направлениях одинаково) или анизотропным (как, например, в случае, если массив сложен породами слоистой структуры, неодинаково деформиру­ ющимися в направлениях по напластованию и по нормали к напластованию). Так, например, состоящий из породных слоев горный массив можно рассматри­ вать как сплошную среду, неоднородную в вертикальном направлении и изо­ тропную в горизонтальном направлении, если можно пренебречь поверхностями

обломочных частиц, сетка промежутков между которыми определяет траекто­ рии их смещений. Такая среда может служить моделью сильно нарушенного тектоникой горного массива, раздробленного и ослабленного многократной подработкой. Моделировать такой массив можно, например, системой много­ слойных балок или системой кубических или призматических частиц, а также в виде несвязной сыпучей среды (например, песка).

В отношении протяженности горный массив можно уподобить п о л у ­ п р о с т р а н с т в у , ограниченному горизонтальной земной поверхностью и бесконечно простирающемуся во всех остальных направлениях. Определить характер деформированного состояния массива горных пород в общем случае весьма трудно, а поэтому обычно ограничиваются простейшими частными случаями напряженного состояния, обладающего свойством круговой симмет­ рии, или двумерными задачами о деформировании массива в вертикальной плоскости, перпендикулярной к линии забоя. При расчетах чаще всего исходят из принципа постоянства объема и наименьшей возможной затраты энергии при деформировании горных пород. Кроме того, рассматривают только простей­ ший случай горизонтального залегания пласта и конечную стадию развития процесса сдвижения.

Рис. 32.

Распределение вертикальных сжи­ мающих напряжений над выра­ ботанным пространством в соот­ ветствии с формулой (21):

1 — зона опорного давления; II — вы­ работанное пространство, заполненное закладкой; J — основная, кровля; 2 — постель; р — равномерно распре­ деленная нагрузка

Таким образом, опускание непосредственной кровли w0 в центре отработан­ ной площади, если принять допущение о том, что кровля прогибается под дей­ ствием сосредоточенной нагрузки, будет пропорционально только корню чет­ вертой степени из F , чем и объясняется известный факт, что на глубинах более 400 м коэффициент оседания и максимальная конвергенция в выработанном пространстве мало зависят от глубины.

Если нужно учесть различие в характере реакции основания, предста­ вленного угольным пластом или закладкой, то для определения давления на закладку пород кровли, нагруженных равномерпо^распределеннби нагруз­

и опирающейся на угольный пласт кровли. В соответствии с этим давление возрастает от контура очистной выработки (х = 0) по направлению в глубь поля закладки от о = 0 до максимального значения, равного р = yh, причем изменение его происходит волнообразно, напоминая график гармонических ко­ лебаний (рис. 32). Имея вычисленные значения давления в различных точках, можно получить значение конвергенции в точке с абсциссой х из линейной зависимости

?2)

если известен показатель жесткости закладки Es.

Экспоненциальная кривая получается также для линии прогиба мощного слоя кровли, равномерно нагруженного весом пород покрывающей толщи и опирающегося на упругое основание, представленное закладкой или угольным пластом, если прогиб вызывается главным образом действием перерезывающей силы Q (нагрузка р и реакция основания Cw или Crw) и если можно пренебречь действием изгибающего момента. Тогда, если принять, что кривизна ci-wtdx2 пропорциональна углу скольжения у, т. е. углу наклона плоскости сечения,

ранее ориентированной вертикально, дифференциальное уравнение прогиба кровли примет вид

а для линии прогиба над выработанным пространством с закладкой (х < 0 ) - выражение

где

p = yh, Н/см2, m = V?>C’l2GS и п = V^C/2GSy

С' н С — коэффициенты постели соответственно угольного пласта и закладки. Что касается закономерностей опускания кровли на неупругом основании, то в некоторых работах они рассматриваются с использованием приближенных

методов, однако в связи с громоздкостью вывода формул мы на них останавли­ ваться не будем.

В отличие от описанных представлений, в действительности действующая на породы основной кровли нагрузка не является ни сосредоточенной в центре очистной выработки, ни равномерно распределенной. Фактически основная кровля представляет собой не балку, а плиту, нарушенную ориентированными по нормали или под углом к напластованию трещинами и вследствие этого име­ ющую в разных местах разную изгибную жесткость. Кроме того, закладка под действием давления со стороны кровли деформируется неупруго, так что применение гипотезы Винклера неправомерно, не говоря уже о том, что элемен­ тарная нагрузка dqx, действующая в точке с абсциссой х, вызывает не ограни­ ченную данной точкой «ступень оседания» dwx (теория первого порядка), а вслед­ ствие пространственной передачи сжимающих напряжений и бокового уплот­ нения (сжатия) закладки оказывает влияние на оседание соседних «ступеней» (теория второго порядка). Поэтому приведенные выше уравнения линии про­ гиба могут служить лишь грубым приближением, основанным на упрощенных предпосылках, принятых для данной модели кровли и приближенно справед­ ливым только для условий выемки площади полной подработки. В настоящее время разрабатывается метод расчета при неполной подработке, основанный на теории упругой балки бесконечной длины, в котором учитываются как раз­ личный характер реакции основания в очистной выработке с площадью непол­ ной подработки (плотность закладки) в зоне опорного давления, так и неравно­ мерное распределение нагрузки от пород основной кровли.