ДонНТУ | Портал магистров ДонНТУ | Назад

Источник:
Д.Н.Оглоблин, П.П.Бастан, Г.И.Герасименко, С.И.Никольский, М.Г.Папазов, С.Ф.Травник, Г.Л.Фисенко. Маркшейдерское дело. Издание 2-е, переработанное и дополненное. М. «Недра», 1972. 584с. (461-465 стр.)

Сдвижение горных пород и земной поверхности при разработке угольных месторождений

§ 186. Общие сведения о процессе сдвижения горных пород и земной поверхности

Ведение горных работ вызывает образование в недрах земли пустот. Породы, окружающие эти пустоты, под действием силы тяжести приходят в движение, обусловливая развитие процесса сдвижения (рис. 1).

В зависимости от физико-механических свойств горных пород, системы разработки, условий залегания полезного ископаемого и других факторов сдвижение горных пород может происходить в форме обрушения, т. е. беспорядочного падения породы в виде кусков и глыб разных размеров (начальная стадия - зона І), прогиба напластований толщи горных пород в сторону выработанного пространства с образованием расслоений, трещин, разломов и уплотнения (зона ІІ - полных сдвижений, промежуточная стадия), прогиба пород с образованием трещин и расслоений (зона ІІІ), плавного прогиба пород без образования трещин и расслоений (зона IV), пучения и поднятия пород почвы в сторону выработанного пространства (зона разгрузки VII), сжатия и утонения пород под действием силы тяжести прогибающихся слоев в зонах ІІ, III, IV (зона опорного давления V), поднятия толщи горных пород, прилегающих к земной поверхности (зона VIII), и прогиба прилегающих пород к наносам и наносов с образованием впадины (мульды сдвижения) на поверхности земли (зона VI), воронок и террас (зона X).

Рисунок 1. Общая схема процесса сдвижения толщи горных пород:
а - при пологом падении; б - при крутом падении

При разработке крутых залежей может иметь место оползание пород почвы в выработанное пространство, а если залежь мощная, то и провалы (зона IX).

Перемещение слоистых горных пород в кровле очистного пространства (при значительной глубине разработки и площади пустот) начинается с прогиба пород, расслоения напластований и появления зон повышенных деформаций растяжений и сжатий. Когда деформации достигают предельных значений, напластования обрушаются, заполняя выработанное пространство, и становятся опорой для вышележащих, прогибающихся пород. Зона обрушения распространяется вверх по нормали к напластованиям на 3-5-кратную мощность вынутого пласта. При малой мощности вынимаемого пласта, пучащих породах почвы, полной или частичной закладке выработанного пространства зона обрушения может не возникнуть вследствие незначительного провисания пород и малых величин деформаций растяжений (сжатий).

Прогиб пород и расслоение напластований в зоне ІІ приводит к образованию зон повышенных деформаций растяжений (сжатий), появлению сквозных трещин и разрывов. Под воздействием веса вышележащих пород прогибающаяся толща пород зоны ІІ уплотняется, образуя зону полных сдвижений, размеры которой можно определить, зная углы ψ 1, ψ 2. Над зоной ІІ находится зона ІІІ, характеризующаяся наибольшими изгибами породных слоев толщи с возмож¬ным образованием раскрытых трещин и полостей по напластованиям.

Зоны ІІ и ІІІ распространяются вверх от кровли пласта примерно на (35—40) m и могут быть оконтурены углами λ 1, λ 2 (величины углов ψ 1, ψ 2, λ 1, λ 2 приведены в специальной литературе по горному давлению).

Выше зоны ІІІ породы прогибаются всем массивом без заметного расслоения и образования трещин, составляя зону плавного прогиба. Над зоной полных сдвижений ІІ зона IV имеет минимальные размеры, ближе к поверхности земли она увеличивается. Со стороны восстания и падения пласта к рассмотренным ранее зонам примыкает зона опорного давления. Она создается в толще горных пород вследствие их зависания над выработанным пространством и передачи части веса зависших пород в качестве дополнительной нагрузки на массив. В зоне опорного давления происходит плавный прогиб слоев вследствие сжатия последних. Максимальные сжатия наблюдаются у границ очистной выработки и на контактах с зоной IV. Размеры зоны опорного давления зависят от многих факторов, в том числе от структурного строения, физико-механических свойств пород, глубины разработки, размеров площади очистных работ.

Процесс сдвижения толщи горных пород заканчивается сдвижением наносов и образованием на поверхности земли мульды сдвижения, т. е. впадины. Сдвижение наносов, как и коренных пород, может происходить в форме обрушения, прогиба по вертикали, а также прогиба по вертикали в сочетании с горизонтальным сдвигом их коренными породами в сторону восстания пластов (рис. 2).

Рисунок 2. Схема сдвижения толщи наносов

Обрушение наносов и земной поверхности происходит при малой глубине разработки, равной примерно 10-15-кратной мощности пласта. В этом случае на поверхности образуются провалы, воронки, уступи, трещины. Прогиб наносов в вертикальном направлении происходит при горизонтальном и пологом залегании коренных пород, когда зона обрушений не достигает поверхности земли. Прогиб наносов по вертикали в сочетании с горизонтальным сдвигом их коренными породами в сторону восстания слоев происходит при залегании корен¬ных пород под углом более 10°.

Сдвижение и деформация горных пород, а также земной поверхности вызывают значительные затруднения при разработке месторождений и строительстве здании и сооружений в районах горных разработок. Это говорит о том, какое большое практическое значение имеет изучение вопросов сдвижения горных пород и земной поверхности.

§ 187. Влияние горных разработок на подрабатываемые объекты

Выше отмечалось, что процесс сдвижения горных пород, достигая земной поверхности, деформирует ее и находящиеся на ней здания и сооружения.

Подработка гражданских зданий приводит к появлению трещин в их стенах и фундаментах, отслаиванию и падению штукатурки, выходу из проемов балок междуэтажных перекрытий и прочих повреждений, вызывающих необходимость капитального ремонта.

Подработка промышленных объектов (заводы, электростанции, подъемные машины и т. п.), помимо деформации фундаментов и стен зданий, нарушает нормальную работу механизмов. Так, например, деформации фундаментов подъемной машины вызывают перекос главного вала ее, что может служить причиной выхода машины из строя.

Подработка железных дорог сопровождается изменением их уклонов, изгибом и разрывом рельсов, изменением зазоров между отдельными рельсами и увеличением или уменьшением ширины колеи. Повреждения железных дорог могут быть причиной тяжелых аварий. Особенно опасны последствия подработки магистральных электрифицированных железных дорог с повышенными скоростями движения по ним подвижного состава.

Подработка различных подземных трубопроводов вызывает в них появление разрывов и сжатий, нарушающих их нормальную эксплуатацию.

Особенно опасна подработка газо- и нефтепроводов.

Очень чувствительны к деформациям из-за подработки канализационные сети городов и поселков. Помимо опасных разрывов трубопроводов может произойти изменение их уклонов, способное нарушить самотечность канализационной системы.

Подработка водных объектов (рек, прудов) в отдельных случаях может привести к внезапному затоплению горных выработок. Проникновение воды в этих случаях происходит по трещинам, образовавшимся в толще горных пород в процессе их сдвижения.

Очень опасным может оказаться влияние горных разработок на горные выработки, оказавшиеся в зоне сдвижения. Так например, в вертикальных шахтных стволах, попавших в зону сдвижения горных пород, сильно деформируется крепь. Искривления стволов шахт создают серьезные помехи в нормальной работе подъема. Капитальные горные выработки (наклонные стволы, квершлаги, околоствольные дворы, бремсберги, штреки, камеры и т. п.) в зоне влияния горных разработок испытывают повышенное давление, которое приводит к уменьшению сечения выработки и разрушению крепи.

Вредное влияние процесса сдвижения горных пород на подрабатываемые объекты вызывает необходимость принятия мер, обеспечивающих их сохранность. Такими мерами охраны объектов от вредного влияния горных разработок являются: оставление предохранительных целиков, т. е. части полезного ископаемого, находящейся под охраняемым объектом; применение специальных систем разработок; создание особо прочных или податливых конструкций зданий и сооружений и т. п.

Необходимость учета возможного повреждения зданий и сооружений от вредного влияния горных разработок заставляет размещать их на площадях, где не предполагаются горные работы.

§ 188. Способы изучения процесса сдвижения горных пород

Процесс сдвижения горных пород и земной поверхности изучают в натуре путем инструментальных наблюдений, на моделях из так называемых эквивалентных материалов и путем проведения теоретических исследований.

При изучении процесса сдвижения горных пород непосредственно в натуре, т. е. в районе горных разработок, на исследуемом участке закладывают наблюдательную станцию, состоящую из большого количества реперов. Чаще такую наблюдательную станцию закладывают на поверхности земли. Путем геометрических измерений, которые производят систематически, следят за положением реперов станции во времени и пространстве. При подработке пунктов станции наблюдают их смещение. Сопоставляя наблюденные смещения реперов станции с произведенными горными работами, устанавливают необходимые закономерности развития процесса сдвижения. Более подробно методика натурных инструментальных наблюдений процесса сдвижения горных пород и земной поверхности рассматриваются в предыдущей главе.

Результаты натурных инструментальных наблюдений дают богатый и достоверный материал для понимания процесса сдвижения горных пород. Однако проведение таких наблюдений требует длительного времени. Кроме того, в натуре трудно найти условия для изучения отдельных сторон процесса.

При изучении процесса сдвижения горных пород в лабораторных условиях создают плоские и объемные модели исследуемого участка, на которых имитируют выемку полезного ископаемого и вызываемый ею процесс сдвижения. Этот метод предложен доктором технических наук Г. Н. Кузнецовым. В основу каждой модели берут определенный геологический разрез, для основных горных пород которого предварительно определяют физико-механические свойства. Задаваясь масштабом модели (1:100—1:200), подбирают материалы, механические свойства которых были бы эквивалентны одноименным свойствам пород натуры. Показатели механических свойств материалов модели определяют по формуле Г. Н. Кузнецова, вытекающей из общего закона подобия Ньютона,

(1)

где Nm - определяемая механическая характеристика (сопротивление сжатию, растяжению, изгибу и т. п.) эквивалентного материала модели;

Nн - соответствующая характеристика пород натуры;

γм, γн — объемные веса материалов модели и пород натуры;

i/L - масштаб модели.

Из подобранных эквивалентных материалов создают модель на специальном стенде. Толщина такой модели 15—20 см, а потому она должна рассматриваться как плоская, имитирующая заданный геологический разрез. Затем из модели вынимают намеченную часть «месторождения», образуя «выработанное пространство». В окружающей толще пород начинает развиваться процесс сдвижения, за которым ведут периодические или непрерывные наблюдения.

Хотя в таких моделях нарушены естественные условия, при которых любая частица горного массива подвержена всестороннему сжатию, они позволяют изучать не только количественную, но и качественную сторону процесса сдвижения горных пород.

Оптическое и центробежное моделирование, описанные в специальной литературе, сравнительно редко используются в практике маркшейдерского дела.

Теоретические исследования процесса сдвижения основаны на предположении, что толща горных пород представляет собой сплошную среду, в которой под действием горных разработок возникают пластические деформации. В настоящее время при изучении процесса сдвижения горных пород применяют математическую теорию пластичности, а также теорию механики сплошной среды и тем самым делают попытки создать теоретически обоснованный способ расчета параметров сдвижения. Этот способ изучения процесса сдвижения горных пород требует дальнейшего совершенствования.