книги / Сдвижение земной поверхности под влиянием горных разработок

Данные, характеризующие длительность процесса в усло­

191

1

1

О с и н н и к о в с к и й р а й о н

оседать ряд лет спустя после окончания очистных работ на всех пластах (табл. 70).

Т а б л и ц а 70

Сдвижение поверхности над участком, подработанным свитой пластов суммарной мощностью от 16 до 21 м

(Прокопьевско-Киселевский район, по данным Е. В. Куняева)

В Донецком бассейне фактическими наблюдениями уста­ новлена следующая продолжительность деформаций, опасных для’сооружений:

Длительность процесса сдвижений, близкая к условиям Донбасса, наблюдалась на шахтах треста Ленинградсланец (6—8 месяцев при глубине разработок около 80 м).

Следует отметить, что приведенные выше данные являются

выработанном пространстве при наличии крепких пород неоднократно отмечалось медленное развитие процесса, а иногда даже отсутствие сдвижений в течение нескольких десятков лет.

Выше указывалось на отсутствие единых критериев для выделения стадий процесса. В зависимости от условий отдель­ ных бассейнов в настоящее время пользуются следующими критериями:

а) величиной средней скорости оседаний (активная стадия — со скоростью оседаний более 50 мм в месяц, стадия зату­ хания — от 50 мм в месяц до 50 мм в год. Оседания со ско­ ростью менее 50 мм в год считаются не опасными для соору­ жений);

б) величиной наблюдаемых деформаций (период проявления опасных деформаций — активная стадия, неопасных — стадия затухания);

в) относительной величиной оседаний (период, в течение которого оседание точки составляет 90% его полной вели­ чины, — активная стадия, 10% — стадия затухания).

Касаясь принципиальной оценки перечисленных критериев, необходимо отметить следующее. Первый критерий не является универсальным. Он принят в Карагандинском бассейне приме­ нительно к условиям разработки пологопадающих и наклон­ ных пластов на сравнительно небольших глубинах.

В других условиях этот критерий утрачивает свою опре­ деленность, так как скорость оседаний зависит от глубины разработок, мощности пласта, угла падения пород и других факторов.

Второй критерий увязан с задачей охраны сооружений, однако применение его сопряжено со значительными труд­ ностями. Величина опасных деформаций различна для соору­ жений различных конструкций и назначения, поэтому принятие этих деформаций за основу делает задачу выделения стадий процесса весьма сложной и в настоящее время неразре­ шимой. Наиболее приемлемым следует считать третий кри­ терий, так как:

1) использование его вполне доступно и не требует трудо­ емких наблюдений по полной программе;

2) он является наиболее универсальным; применение его не лимитируется глубиной разработки, мощностью пласта, углом падения и другими факторами;

194

3) этот критерий при попутном применении предрасчета сдвижений позволяет без особого труда увязывать выделяемые стадии с проявлением опасных и неопасных деформаций.

Наряду с общей длительностью процесса и его активной стадией большой практический интерес представляет скорость сдвижений, в частности максимальная скорость оседаний. Эта скорость интересует нас при решении вопросов, связанных с выемкой угля под железными дорогами и некоторыми другими объектами.

Максимальная скорость приурочена к точке перегиба кри­ вой оседаний и зависит от следующих факторов: 1) глубины разработки; 2) вынимаемой мощности пласта; 3) угла падения; 4) характера пород; 5) способа управления кровлей; 6) ско­ рости подвигания забоя очистной выработки; 7) размера выра­ ботки; 8) степени нарушенности пород; 9) полноты выемки угля.

До сих пор не было четкого выделения указанных факто­ ров. Скорость чаще всего рассматривалась как функция глу­ бины разработок или кратности К, что делало получаемые величины неоднородными и трудно сравнимыми. Этим же объясняется и значительный разброс наблюдаемых значений скоростей при одном и том же значении кратности.

Так, М. В. Коротков, обобщая данные наблюдений по 18 наблюдательным станциям Донбасса при пологом и наклонном залегании, получил следующие максимальные скорости оседа­ ний в сутки:

а) при кратности от 50 до 100—15 мм (с разбросом 6—26); б) при кратности 100—200—8 мм (с разбросом 3—17); в) при кратности 200—300—3 мм (с разбросом 1—5).

Наблюдающийся значительный разброс полученных значе­ ний скорости указывает на необходимость учета не только мощности и глубины, но и других факторов.

В настоящее время вопрос длительности и скоростей сдви­ жения теоретически совершенно не разработан. Имеются лишь отдельные попытки увязать скорость с некоторыми факторами на основе эмпирических данных.

Так, И. А. Петухов в 1951 г. предложил формулу для вы­ числения максимальной скорости оседаний при глубине Нг по

Эта формула исходит из обратно пропорциональной зави­ симости скорости от глубины при неизменности прочих равных условий. Формула обладает тем недостатком, что не может

быть применена в различных условиях (при различных мощ­ ностях пласта, различной скорости подвигания забоя очистной выработки и т. д.)

М. А. Кузнецов, основываясь на данных наблюдений на шахтах Ленинского района в Кузбассе, предложил (для усло­ вий пологого залегания) формулу

Н - глубина разработки, м.

Формула показала хорошую сходимость с данными наблю­ дений. Ее недостатками являются применимость только в усло­ виях пологого залегания пластов и недостаточная обоснован­ ность функциональной зависимости между V и U.

Влияние угла падения на величину V весьма значительно. Фактические наблюдения отчетливо фиксируют резкое убы­ вание V с увеличением угла падения пластов.

Не лишено оснований считать, что скорость по направ­

196

ную формулу в первом приближении, учитывающую влияние всех главнейших факторов,

и величине наибольшего оседания поверхности Щ2)1

—известная (по данным наблюдений) максимальная ско­ рость оседаний при mltHv Uv аь щц. Эта скорость может быть задана применительно к отдельным типам месторождений или определена по данным наблюдений.

•»)0[о)

В приведенной формуле соотношение —^ учитывает вли- ^о(1 )

яние размеров выработки, характера пород и степени нару-

нами при определении величины наибольшего оседания по­ верхности Т}0.

§ П. О РАСЧЕТЕ СДВИЖЕНИИ

Как уже указывалось выше, вопросы выемки угля под сооружениями и водоемами не всегда могут быть решены на основе существующих правил охраны сооружений от вред­ ного влияния горных разработок.

Приближенный характер задаваемых Правилами безопасных глубин в ряде случаев препятствует решению этих вопросов и заставляет прибегать к предварительному расчету сдвижений горных пород.

В свою очередь успешное применение расчета предпола­ гает:

1)умение определять величины возможных деформаций и

распределение их в мульде сдвижений;

1 Аналогичное выражение можно написать для максимальной горизон­ тальной составляющей скорости сдвижений (заменив косинусы а синусами а).

197

2) установление взаимосвязи деформаций сооружений и грунта, а также критических деформаций, допустимых для сооружений различного вида и назначения.

Накопление деформаций, вызываемое сдвижением горных пород, в некоторых сооружениях может быть предотвращено

сдвижений, позволяет безболезненно подрабатывать указанные сооружения даже при значительных конечных деформациях грунта.

Для водных объектов решающее значение имеет не общая величина и скорость возможных сдвижений, а наличие усло­ вий, способствующих или исключающих образование водопро­ водящих трещин в надугольной толще.

В настоящее время критические деформации, взаимосвязь деформаций сооружений и грунта, а также условия образо­ вания Еодопроводящих трещин изучены недостаточно, что мешает широкому применению расчета.

Очень часто заключения специалистов, даваемые на основе расчета, недостаточно определенны. Избежать этого невоз­ можно без более глубокого и всестороннего изучения крити­ ческих деформаций и взаимосвязи деформаций сооружений с деформациями грунта. В настоящее время в этом направлении проводятся работы, однако они еще далеки до своего завер­ шения.

Вторым препятствием на пути применения расчета сдви­ жений является недостаточная разработанность методики рас­ чета. Мы все еще не располагаем окончательно разработан­ ной теорией сдвижения горных пород и вытекающим из нее универсальным и надежным методом расчета.

Такое положение объясняется сложностью явления сдви- ж( ния горных пород и трудностью изучения физико-механиче­ ских свойств горного массива.

Выше мы уже указывали на специфический характер про­ цесса сдвижения горных пород как явления физически неодно­ родного. Так, с точки зрения характера деформаций и воз­ можности приложения какой-нибудь частной теории деформи­ рования нельзя считать однородными краевые и центральную часть мульды, зону беспорядочного обрушения пород, зону чистых прогибов и т. п.

Эти участки и зоны характеризуются различным соотно­ шением сил трения и сцепления, различным характером про­ явления сдвижений.

Такую же неоднородность явления мы будем наблюдать, рассматривая различные условия разработки и различные стадии протекания процесса.

193

На первой стадии процесса или при малых сдвижениях (например, в условиях применения закладки) деформации по­ род происходят в среде, характеризующейся наличием значи­ тельных сил сцепления, тогда как в последующие стадии или при значительном прогибе и разрушении пород свойства среды и природа деформаций резко изменяются.

При изучении рассматриваемой проблемы возникали пред­ ложения, основанные на представлении о сдвигающемся мас­ сиве как сыпучей, упругой или пластической среде.

В этих предложениях не учитывался в полном объеме особый характер явления сдвижений горных пород и поэтому они оказались односторонними, а в практическом отношении пока недостаточно эффективными.

Такое положение обусловило невольно сложившееся, в значительной степени независимое от теоретической основы, развитие методов предрасчета сдвижений. Последние в совре­ менном их виде в основном являются эмпирическими или построены на некоторых частных теоретических положениях. Они не вытекают непосредственно из какой-нибудь теории деформирования или движения пород.

В значительной мере это относится и к наиболее строгим методам. Здесь основные исходные величины определяются эмпирически, а не расчетом по физическим или структурным константам массива. Например, величина наибольшего осе­ дания поверхности вычисляется по эмпирическим формулам, углы сдвижения принимаются по данным инструментальных наблюдений и т. д.

Приведенные высказывания относительно эмпирического характера существующих методов расчета не следует рас­ сматривать как отрицание полезности последних и необхо­ димости дальнейшей их разработки.

Эти высказывания вызваны недостаточно обоснованными утверждениями о наличии теории сдвижения горных пород, вытекающей из математической теории пластичности.

Такой теории мы пока еще не имеем. Поэтому в насто­ ящее время нельзя отказываться от развития уже существую­ щих инженерных методов расчета.

На этом пути благодаря усилиям коллектива сотрудников ВНИМИ, особенно в последние годы достигнуты заметные успехи.

Однако здесь мы имеем и некоторые недостатки. Так, в целом ряде случаев недооценивается полезность и необхо­ димость более широкого использования данных инструмен­ тальных наблюдений при получении параметров расчетных формул. Между тем частные теории деформирования, наблю­ дения на моделях и т. п. могут быть использованы главным образом при выявлении качественных связей. Получение на ос­ нове этих связей надежных количественных зависимостей

199

невозможно без использования материалов обычных и специ­ альных наблюдений (на профильных линиях с малыми интер­ валами между реперами, с тщательно проведенными изме­ рениями) и без привлечения для этой цели методов мате­ матической статистики [28].

В некоторых случаях отмечается излишнее упрощение задачи и недостаточный учет тех закономерностей, использо­ вание которых повышает точность расчетов. Так, наибольшее оседание поверхности иногда принимается в виде среднего по данным наблюдений, без учета характера горных пород, глу­ бины залегания и размеров выработки. Деформации поверх­ ности связываются не с величиной оседаний и размерами мульды, а с кратностью и т. п.

Нежелательным является также использование расчетных формул без учета их области применения. Как известно, задача расчета сдвижений не возникает в том случае, когда глубина разработок заведомо меньше безопасной и когда, следова­

тальных сдвижений, а также горизонтальных деформаций (сжатий, растяжений);

3) ограничение расчетных методов определенными, сравни­ тельно простыми условиями (пологое и наклонное залегание, первичная подработка поверхности и т. д.).

Для уяснения состояния вопроса ниже приводятся краткие сведения о существующих способах расчета сдвижений и де­ формаций. При этом мы не останавливаемся на вопросе дей­ ствия различных деформаций поверхности на сооружения, так как этот вопрос достаточно хорошо не изучен, а элементар­ ные сведения по нему имеются в литературе [7], [8].

Не рассматривается также вопрос определения верти­ кальной составляющей сдвижения (который был особо рас­ смотрен в § 8 раздела II) и метод интегрирования скоростей сдвижения (частотные наблюдения), рекомендованный проф.

200