книги / Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках
..pdfопределялась высота зоны трещин, которые имеют прямое сооб щение с горными выработками. На основе этого определялась без опасная глубина ведения очистных работ под плывунами.
Методика наблюдений за сдвижением земной поверхности обес печивала необходимую точность инструментальных определений перемещений реперов в пространстве и во времени. Измерение расстояний выполнялось металлическими рулетками с помощью жестких отвесов, сконструированных на кафедре маркшейдерского дела ДГИ. В настоящее время широко используется для этих целей светодальномер МСД-1.
Интервал времени между инструментальными наблюдениями принимался равным от 1 до 15 дней и более в зависимости от по ставленных задач исследований.
Ежедневные наблюдения проводились, главным образом, на станциях глубинных реперов и в комплексе наблюдений, связан ных с запуском воды с люминофорами в скважины.
Опыт проведения трех специальных горизонтальных подземных горных выработок, пересекающих будущую зону сдвижений в мас сиве горных пород, где были заложены специальные наблюдатель ные станции реперов через 1—2 м и начаты частотные наблюде ния, не увенчался успехом, так как выработки весьма быстро де формировались и выходили из строя по мере движения под ними очистных работ, несмотря на принятые меры их поддержания.
3.2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ
На основании полученных результатов всего комплекса иссле дований за период 1963—1968 гг. были получены основные пара метры процесса сдвижения для условий Западного Донбасса. Бы ли составлены указания по охране сооружений и природных объ ектов от вредного влияния подземных горных разработок в За падном Донбассе.
Границы зоны опасного влияния подземных разработок назем ной поверхности для всех объектов, кроме вертикальных стволов глубиной более 600 м и магистральных газопроводов диаметром более 250 мм, установлены относительно границ выработанного пространства углами сдвижения в коренных породах р=у = б=80° и в наносах углом сдвижения ф = 50°.
Граница зоны опасного влияния для вертикальных стволов глу биной более 600 м и магистральных газопроводов диаметром бо лее 250 мм определяется граничными углами Ро=уо=0о=70° в ко ренных породах и углом ф0=45° в наносах. Ввиду большой мощно сти наносов, при определении границ зоны влияния в них вместо границ выработанного пространства применяется граница вред ного влияния на контакте наносов с коренными породами.
При определении границы опасного влияния разработок на земной поверхности приняты такие критические деформации: на
клон— 4,0 ♦ 10-3, кривизна — 0,2-10-3 1/м |
(радиус |
кривизны |
5000 м), растяжение — 2,0-10"3 (при среднем |
интервале |
15 м), а |
при определении граничных углов за критическую величину осе дания принято 10 мм.
За период опасных деформаций принято считать время интен сивных сдвижений земной поверхности над выработанным прост ранством со скоростью оседания не менее 50 мм в месяц.
Опасные деформации наступают спустя один-два месяца после того, как процесс сдвижения достигнет земной поверхности при средней скорости подвигания очистных забоев около 35—40 м/мес при глубинах до 200 м. Период опасных деформаций продолжа ется 4—6 мес при разработке одного пласта и до 8—11 мес при одновременной разработке двух пластов с опережением лав верх них пластов относительно нижних на 80—90 м.
Общая продолжительность процесса сдвижения земной поверх ности под влиянием одного пласта при средней скорости подвнгания забоев 35—40 м/мес на глубине до 200 м составляет 11— 12 мес, а при разработке двух пластов — 16—18 мес.
Все охраняемые объекты разделены на шесть категорий со сле дующими значениями коэффициентов безопасности:
Категория охраны . |
. |
I |
II |
III |
IV |
V |
Коэффициент безопасности Кв |
400 |
300 |
200 |
150 |
100 |
Для объектов шестой категории коэффициент безопасности не устанавливался, так как эти объекты не подлежат охране предо хранительными целиками.
Проведенные исследования показали, что ведение горных ра бот под плывунами и обводненными песками допускается при рас стоянии по вертикали от горных выработок до поверхности карбо новых отложений 20т (где т — вынимаемая мощность пласта), но не менее 25 м. На шахтах бассейна построены новые границы ведения горных работ под плывунами, что позволило вовлечь в разработку значительную часть запасов, оставленных ранее в це ликах, в соответствии с первоначальными проектами шахт.
Все эти основные параметры в последующие годы исследова ния процесса сдвижения были уточнены, скорректированы и вве дены для специфических условий Западного Донбасса в «Прави ла охраны сооружений и природных объектов ...» [31].
3.3. РАСЧЕТ СДВИЖЕНИИ И ДЕФОРМАЦИИ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
На основе обобщения и анализа материалов исследований со ставлена методика расчета сдвижений и деформаций для условий Западного Донбасса.
Ниже приводятся формулы для расчета сдвижений и деформа ций земной поверхности под влиянием отдельной очистной выра ботки при законченном процессе сдвижения.
Величины необходимых параметров для расчета сдвижений и деформаций земной поверхности:
граничные углы в коренных породах Po=Yo=6o=70°, в наносах
Po=Yo—ôo=70°; |
|
|
|
углы максимального оседания 0= 90°; |
|
|
|
углы полных сдвижений Ч/,1=‘Чг2= гРз=55°; |
полной подработке |
||
относительные |
величины сдвижений при |
||
<7о= 0,85, а =0,40; |
подработанности tii = 0,7Dl/H; n2= D 2IH, |
где D\ |
|
коэффициенты |
|||
и £>2— размеры очистной выработки соответственно вдоль |
линии |
||
забоя и в направлении подвигания забоя; |
Н — глубина |
разра |
|
ботки. |
|
|
|
Расчет максимальных сдвижений и деформаций земной по |
|||
верхности рекомендуется выполнять по формулам: |
|
||
1. Максимальное оседание |
|
|
|
|
^Imax == |
|
(3.1) |
где т — мощность пласта; t\ = 0,8(D JH — 0,15); |
t2=0,S(D2IH — |
0,15). |
|
В тех случаях, когда t\ = t2> \ , они приравниваются единице. |
|
Если же ti = t2=0, то они приравниваются 0,01. |
|
2. Максимальный наклон |
|
to= 2,0т/ (1 + 0,6/t/tf), |
(3.2) |
где h — мощность наносов. |
|
3. Максимальная кривизна |
|
Ко= 12т/ [ ( 1 + 0,6/t///)2Я2] . |
(3.3) |
4. Минимальный радиус кривизны выпуклости и вогнутости |
|
# m= 1//Со=0,08 ( 1 + 0,6/t/tf) 2Н2/т . |
(3.4) |
5. Максимальное горизонтальное сдвижение |
|
£= 0,4т]тах. |
(3.5) |
6. Максимальные растяжения и сжатия |
|
lop= |ос= яг/[ (1 +0,6/t/tf)Н]. |
(3.6) |
Местоположения точек в мульде с максимальными наклонами, горизонтальными сдвижениями и деформациями имеют устойчи вый характер закономерности относительно границ горных работ. Точки с указанными деформациями определяются относительно границ выработанного пространства внутренними углами б», об разованными на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды сдвижения горизонтальной линией и линией, соединяющей границы горных работ и точки на земной поверхности с макси мальными деформациями. Установлено, что точки с максималь ными горизонтальными сдвижениями и максимальными наклонами совпадают и расположены над выработанным пространством. Уг лы для определения этих точек одинаковы и составляют 84°. Точ ка, с максимальным растяжением располагается под целиком и определяется углом, равным 96°.
Расстояния а, в плане от горных выработок до точек с соот ветствующими максимальными сдвижениями и деформациями вы числяются по формуле
di = Hctgbi. |
(3.7) |
Расчет сдвижений и деформаций в точках полумульды можно производить ' по формулам,, выведенным для условий основного Донбасса.
3.4. БЕЗОПАСНАЯ 1ГЛУБИНА ВЕДЕНИЯ ОЧИСТНЫХ РАБОТ ПОД ПЛЫВУНАМИ И ВОДНЫМИ ОБЪЕКТАМИ
При проектировании шахт Западного Донбасса границы без опасного ведения очистных работ под плывунами были приняты из расчета безопасной глубины, равной 40-кратной мощности пласта. В связи с весьма пологим падением пластов на шахтах I очереди было запроектировано оставить в охранных целиках под плыву нами весьма большие запасы угля (десятки млн. т). Поэтому по ставлена задача определения оптимальных условий безопасного ведения горных работ под .плывунами и водными объектами в ус ловиях Западного Донбасса. Для этого был применен люминес центный метод определения распространения сообщающихся тре щин в подработанной толще пород. Сущность метода заключает ся в том, что водные объекты имитируются специальными скважи нами, пробуренными с земной поверхности над подрабатывающим пластом. Забои скважин останавливают от кровли пласта на рас стояниях, равных 10 т , 15 т , 20 т . В них заливается вода, окра шенная водорастворимыми люминесцентными красителями (люми нофорами). В каждой скважине вода окрашивается люминофором со своим спектром люминесценции.
В результате подработки вода из скважин уходит по образо вавшимся трещинам и, если эти трещины сообщаются с вырабо танным пространством подрабатывающего пласта, попадает в шахту. Исследованием спектров свечения проб шахтной воды на спектрографе ИСП-51 с фотоэлектрической приставкой ФЭП-1 оп ределяется, из каких скважин вода поступила в шахту. Таким об разом устанавливается верхняя граница развития сообщающихся трещин в подработанной толще пород, а следовательно, и безопас ная глубина ведения очистных работ. Такие эксперименты были проведены на четырех шахтах.
По результатам проведенных экспериментов можно сказать, что в данных горно-геологических и горнотехнических условиях верхняя граница распространения сообщающихся трещин в под работанной толще пород проходит на высоте до 16 т от пласта.
Нормативное значение безопасной глубины разработки уголь ных пластов под плывунами должно иметь запас надежности, ве личина которого учитывает возможное уменьшение расстояния пластов от плывунов в интервалах между разведочными скважи*
нами, а также технические ошибки определения мощности разде ляющей толщи по скважинам. Величина не обнаруженных развед кой местных уменьшений глубины залегания пластов от плывунов определена на основе оценки сложности и изменчивости изоглу бин залегания пластов от плывунов. Количественная оценка слож ности и изменчивости изоглубин выполнена двумя независимыми способами — статистическим и геометрическим. Исследования по казали, что вероятная погрешность определения глубины залега ния пласта от плывуна в интервалах между скважинами может приниматься равной ±3,2 м.
Погрешность определения глубины залегания пластов от плы вуна по скважинам, зависящая от погрешности определения отме ток почвы плывуна и кровли пласта, оказалась равной ±1,1 м.
В результате исследования распространения сообщающихся трещин в подрабатываемой толще пород и изменчивости глубины залегания пластов от плывунов получена формула для определе ния безопасной глубины (м)
# б= 16 т+ 3,4 . |
(3.8) |
Если учесть, что мощность разрабатываемых пластов в Запад
ном Донбассе составляет около 1 м, то можно принять |
|
//б = 20 т . |
(3.9) |
По этой формуле определяют нормативную величину безопас ной глубины ведения горных работ под плывунами и обводнен ными песками. При этом учитывают, чтобы Не, было не менее
25м.
Всоответствии с новыми данными на всех шахтах Западного Донбасса построены новые границы безопасного ведения очист ных работ под плывунами. При весьма пологом залегании уголь ных пластов (0—5°) оказалось возможным ввести в разработку новые горизонты горных работ по каждому пласту в полосе меж ду старыми и новыми границами безопасного ведения горных ра бот под плывунами. Это позволило вовлечь в разработку запасы на участках угольных пластов, которые были ранее законсерви рованы в целиках под плывунами. За период 1968—1978 гг. на
трех шахтах из этих зон добыто 5,9 млн. т, в них. пройдено 184 горные подготовительные выработки общей протяженностью 85,9 км.
При этом никаких осложнений в ведении горных работ, про рыва плывунов или воды не было.
Такая широкая производственная проверка полученных резуль татов исследования подтверждает правильность принятых основ ных нормативных положений.
Дальнейшие исследования ведутся в направлении уточнения безопасной глубины под плывунами при проведении подготови тельных горных выработок и при разработке свиты пластов.
3.5. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ПОДРАБОТКИ ПОИМ РЕК В ЗАПАДНОМ ДОНБАССЕ
Главным фактором, определяющим возникновение проблемы подработки пойм рек в Западном Донбассе, является рельеф зем ной поверхности. Для бассейна характерны равнинный рельеф, хо рошо развитая речная сеть. Ширина пойм рек Самары, Терновки, Волчьей достигает 2—8 км и более. Высотные отметки земной по верхности в поймах рек изменяются незначительно. Причем пре вышение пойменных участков над уровнем воды в реках (в ме жень) составляет 0,5—2,0 м.
В поймах рек расположены многие села (Богдановка, Терновка, Благодатное, Вербки и др.). Пойменные земли — это луга, ого роды, пашни, сады, лесные угодья. К пойменным участкам приуро чены зоны отдыха. Вся пойма р. Самары в Новомосковском райо не — это большие лесные массивы.
Суммарная вынимаемая мощность угольных плартов на ряде шахт может достигать 8—10 м. Поэтому в случае управления кровлей обрушением оседание земной поверхности после выемки всех угольных пластов будет около 7—9 м. Такие оседания вызо вут значительные, очевидно, неравномерные изменения рельефа местности на пойменных участках и создадут угрозу затопления и заболачивания громадных площадей. Это, в свою очередь, при ведет к изменению гидрологии, гидрогеологии, микроклимата рай она, серьезно скажется на его экономике.
Поэтому была поставлена задача определить возможные по следствия подработки пойменных участков, разработать и внед рить мероприятия по уменьшению ее вредного влияния. После де тального анализа орографии, характера поверхностных и подзем ных вод и основных горнотехнических показателей установлено, что поймы рек имеют распространение по крайней мере на 14 шахтных полях в осваиваемой в первую очередь части Запад ного Донбасса. Они занимают около 20 тыс. га угленосной пло щади, а под ними сосредоточено около 1 млрд, т балансовых за пасов угля. Анализ основных климатических, гидрогеологических и гидрологических условий района показал, что источниками за топления являются атмосферные осадки, поверхностные воды (в особенности в паводковый период) и воды подземных горизонтов.
В комплекс работ по прогнозированию изменений рельефа пойм рек вследствие их подработки по каждому шахтному полю вошли:
1.Расчет суммарных мощностей пластов, принятых проектами
кразработке, и построение планов суммарных изомощностей ра бочих пластов в пределах каждого шахтного поля или его пой менной части:
2.Расчет оседаний земной поверхности вследствие отработки
всех рабочих пластов и построения планов изооседаний.
3. Построение прогнозируемого рельефа пойменных участков после отработки всех запасов шахтного поля или части их (прог
нозируемый рельеф определяется как разность двух топографиче ских поверхностей — поверхности исходного рельефа и поверхно сти изооседаний).
4. Определение отметок уровня возможного затопления с уче том особенностей гидрологии и гидрогеологии и оконтуривание зон затопления и заболачивания.
5. Оценка основных последствий подработки пойменных участ ков в первые годы работы шахт и в конце срока их службы.
В результате всех этих работ по каждому шахтному полю оп ределены размеры и контуры площадей зон затопления и забола чивания, мелководья, составлены планы в изоглубинах затопления. По этим материалам определены объекты, которые окажутся в тех или иных зонах (села, пашни, сады, лесные и огородные угодья) и для которых необходимо разрабатывать соответствующие меро приятия по их сохранению, например, путем ведения очистных ра бот с закладкой выработанного пространства.
3.6. РАСЧЕТ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА
СДВИЖЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ВЫЕМКЕ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ В ЗАПАДНОМ ДОНБАССЕ
Как уже сказно выше, защита зданий и сооружений от вред ного влияния подземных разработок в Западном Донбассе имеет важное значение, так как в оставленных целиках под застроенны ми территориями законсервировано несколько миллионов тонн угля. В то же время под многими объектами, такими, как желез ные дороги и высотные сооружения, можно извлечь уголь при принятии мер защиты во время подработки. Известно, что меры охраны выбираются в зависимости от величин деформаций зем ной поверхности. Однако до сих пор не только в Западном Дон бассе, но и в других угольных бассейнах страны недостаточно изучено развитие процесса сдвижения земной поверхности над движущимся забоем.
Исследование динамических параметров процесса сдвижения проводилось путем закладки наблюдательных станций и произ водства частотных наблюдений с интервалом в течение от 1 до
10дней.
За период с 1971 по 1977 г. было проведено более 300 серий
частотных наблюдений, выполнен их анализ и, обобщение, на ос новании которых разработан способ расчета параметров сдвиже ния и деформации земной поверхности во времени. Условия под работки наблюдательных станций: вынимаемая мощность плас тов 0,65—1,10 м; глубина разработки 100—240 м; мощность нано сов 50—100 м; управление горным давлением — полное обруше ние; скорость подвигания забоя — от 40 до 110 м/мес.
Результаты исследований относятся к тому участку главного сечения мульды в направлении движущегося забоя, который до подработки был впереди забоя, а после подработки оказался в плоском дне мульды.
3.6.1.Расчет общей продолжительности процесса сдвижения
иего отдельных стадий
Общую продолжительность процесса сдвижения удалось полу чить на 8 станциях шахт Западного Донбасса. По результатам частотных наблюдений построены кривые (рис. 3.1) оседаний и скоростей оседаний на примере одной характерной для данных условий станции.
Рис. 3.1. Характер распределения отдельных стадий процесса сдвижения земной поверхности во времени:
/ — кривая оседаний; 2 — кривая скоростей оседаний; 3 — положение забоя лавы
На этом графике показана общая продолжительность процес са сдвижения Т и распределение его отдельных стадий: началь ной (Н), активной (а) и затухания (3). Здесь же показан график сдвижения очистного забоя. При определении общей продолжи тельности процесса сдвижения за начало процесса сдвижения точ ки земной поверхности принималась дата, когда величина оседа
ния этой точки достигла 10 мм; за |
окончание процесса сдвижения |
принималась дата, после которой |
оседание за 6 мес составило |
30 мм. |
|
Исследования показали, что общая продолжительность процес са сдвижения прямо пропорциональна глубине разработки и об ратно пропорциональна скорости подвигания забоя. Такая же за кономерность была установлена ранее А. Н. Медянцевым. Прэтому для вычисления общей продолжительности процесса сдвиже
ния используем формулу, предложенную в работе |
[19], и запишем |
ее в виде |
|
Т=аН /С, |
(3.10) |
где а = 1,2 — коэффициент относительных величин. |
|
Подставим значение а в выражение (3.10) |
и получим: |
Т=1,2Н[С. |
(3.11) |
Из рис. 3.1 видно, что за продолжительность начальной стадии принимается промежуток времени от начала процесса сдвижения до времени появления скорости оседания величиной 50 мм/мес (1,64 мм/сут). За продолжительность периода опасных деформа ций принимается отрезок времени, в течение которого скорость оседаний не менее 50 мм/мес. За периодом опасных деформаций наступает стадия затуханий, которая определяется отрезком вре мени со скоростью оседания точки менее 50 мм/мес.
В условиях Западного Донбасса начальная стадия процесса сдвижения начинается и заканчивается до подхода горных работ под подрабатываемую точку на земной поверхности. На началь ную стадию приходится 5 % времени, на период опасных дефор маций— 70%, на стадию затухания — 20% времени от общей продолжительности процесса сдвижения.
Таким образом, в Западном Донбассе сдвижение земной по верхности происходит в основном при скоростях оседаний, харак теризующих период опасных деформаций. Это объясняется нали чием на поверхности карбоновых"отложений большой. мощности наносов и небольшой глубиной разработки пластов.
3.6.2.Расчет максимальных сдвижений и деформаций
вдинамической полумульде
Для разработки способа расчета сдвижений и деформаций земной поверхности в точках динамической полумульды будет ис пользована величина максимального оседания, которую рекомен дуется вычислять по формуле
T]max = 0,85 т , |
(3.12) |
где т — вынимаемая мощность пласта.
Величины оседаний земной поверхности за отдельные стадии процесса сдвижения при движущемся забое вычисляются в за висимости от максимального оседания:
Тр — 0,03т]ш ах| |
|
Г|2 = 0,14т1тах; |
(3.13) |
Т13 == 0,40 Т|шах1 |
|
Т)4 = 0,97 Т]тах, ) |
|
где тц, т)2, г)з» т)4 — оседания соответственно |
в начале активной |
стадии процесса сдвижения, в момент прохождения забоя, в пе риод максимальной скорости оседания и к окончанию периода проявлений опасных деформаций.
Из формул (3.13) видно, что оседание к началу активной ста дии процесса сдвижения достигает 3 % от максимального. В мо мент прохождения забоя под точкой ее оседание составляет 14 %
ii за период опасных деформаций достигает 97 % от максималь ного при закончившемся процессе сдвижения.
Таким образом, в Западном Донбассе при глубинах разработ ки до 250 м оседание земной поверхности в основном происходит в период опасных деформаций.
Для разработки способа расчета величии максимальных вер
тикальных |
деформаций |
земной поверхности во |
времени |
|
выпол- |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ТАБЛИЦА 3.1 |
|||
Номер |
Номер |
|
|
|
<од 10Э, |
Кривизна |
Кривизна |
~ А'од |
|
||
*од» Ю |
|
10'3 |
выпуклос |
1 Л П |
|||||||
станции |
лроф. |
|
*0 |
|
ти, |
вогнутости, |
- |
■ |
IUU, |
||
линии |
|
|
|
% |
Ю'3 1/м |
|
+*ОД |
|
|||
|
|
|
|
|
|
10-3 1/м |
|
|
|
|
|
3 |
9 |
11,0 |
|
12,5 |
88 |
+0,24 |
—0,24 |
|
100 |
|
|
5 |
1 |
6,3 |
- |
6,8 |
93 |
+0,11 |
—0,08 |
|
73 |
|
|
7 |
2 |
5,4 |
6,0 |
90 |
+0,10 |
—0,07 |
|
70 |
|
||
8 |
1 |
5,8 |
|
6,0 |
97 |
+0,10 |
—0,07 |
|
70 |
|
|
9 |
1 |
5,5 |
|
— |
— |
+0,08 |
—0,07 |
|
87 |
|
|
10 |
1 |
11,0 |
|
13,0 |
85 |
— |
|
|
— |
|
|
11 |
1 |
4,7 |
|
— |
— |
+0,07 |
—0,07 |
|
100 |
|
|
12 |
1 |
16,0 |
|
— |
— |
+0,55 |
—0,50 |
|
91 |
|
|
13 |
1 |
15,0 |
|
17 |
•88 |
+0,50 |
—0,50 |
|
98 |
|
йены исследования и установлено, что величины максимальных наклонов ion и кривизны /<оД земной поверхности над движущим ися забоем зависят от вынимаемой мощности пласта, глубины раз работки; прослеживается зависимость максимальных вертикаль ных деформаций от величины мощности наносов.
В табл. 3.1 приведены значения 10д и /Сод, полученные из об общенных частотных наблюдений за сдвижением земной поверх ности во времени, а также отношение кривизны выпуклости к кри визне вогнутости. Кроме того, в этой таблице приведены величины максимальных наклонов i0 при закончившемся процессе сдвиже ния земной поверхности со стороны разрезной печи и сравнива ние их с 10д.
Из этой таблицы видно, что максимальные наклоны достигли 16-10-3. Сопоставлением между собой максимальных наклонов после окончания процесса сдвижения i0 с максимальными накло нами io* земной поверхности во времени показано, что лучшие ре зультаты при определении 1'0Д могут быть получены по формуле
год = 1,8 е-,>15(л/я-0'2>, (3.14)
чем по формуле, приведенной в работе [32], для расчета макси
мальных наклонов при |
закончившемся |
процессе сдвижения |
|
. |
_ |
1,9 |
т |
4 - (/„ + 0.6Л/Я) П Т -