книги / Сдвижение горных пород и земной поверхности под влиянием подземной разработки
..pdfкак отношение величины укорочения или удлинения интервала к его первоначальной длине:
'- 2 = /|-2 |
(1.8) |
где £\~2 — первоначальная длина интервала; А'-г —длина интервала после сдвижения.
Растяжения принято считать положительными деформа циями, сжатия — отрицательными. Они относятся к середине интервалов.
Горизонтальные и вертикальные деформации, возника ющие в мульде сдвижения земной поверхности, оказывают воз действие на подрабатываемые здания, сооружения и природные объекты, поэтому их определению уделяется особое внимание.
Для решения задач, связанных с выбором мер по снижению воздействия процесса сдвижения на объекты в зоне влияния под земных разработок, необходимо знать характер распределения сдвижений и деформаций в главных сечениях мульды после прове дения выработки и закончившемся процессе сдвижения (рис. 1.3).
а |
б |
Рис. 1.3. Схемы распределения сдвижений и деформаций над очистной
выработкой при неполной (а) и полной (б) подработках: I - |
оседаний; |
2 — горизонтальных сдвижений; 3 - наклонов; 4 - |
кривизны; |
5 —сжатий и растяжений. |
|
При горизонтальном залегании отрабатываемого угольного пласта (рудной залежи) и на вертикальных разрезах по его про стиранию границы мульды, кривые сдвижений и деформаций располагаются симметрично относительно центра мульды и гра ниц выработки. С увеличением угла падения отрабатываемого угольного пласта (залежи) возникает асимметрия кривых сдви жений и деформаций за счет смещения их центров по падению пласта.
Преобладающей формой сдвижения горных пород над очистными выработками в условиях разработки пологих пластов (залежей) является последовательный прогиб слоев покрываю щей толщи. Такая форма сдвижения характерна и для земной поверхности. При крутом падении пласта в направлении вкрест его простирания развиваются деформации сдвига. Выемка кру топадающих ( а >45°) пластов на сравнительно небольшой глу бине с обрушением пород кровли вызывает на земной поверхно сти провалы и террасы.
1.4. Основные параметры процесса сдвижения, их практическое применение
Часть горного массива, подвергшуюся сдвижению под влия нием подземных разработок, принято называть областью сдви жения горных пород, а участок земной поверхности, располо женный в этой области, —мульдой сдвижения.
Максимальные величины сдвижений и деформаций форми руются в главных сечениях мульды сдвижения — вертикальных сечениях мульды по простиранию и вкрест простирания пласта, проходящих через точки с максимальными оседаниями земной поверхности. На вертикальных разрезах в главных сечениях мульды определяют все угловые параметры процесса сдвижения.
Границы зоны влияния подземных разработок на земную поверхность определяются граничными углами (|30, у0, <р0 50, рис. 1.4), под которыми подразумевают внешние относительно выработанного пространства углы, образованные горизонталь ными линиями и линиями (последовательно проведенными в коренных породах, мезозойских отложениях и наносах), соеди-
Рис. 1.4. Мульда сдвижения земной поверхности и угловые параметры процесса сдвижения: р0, у0, 60, <р0 - граничные углы; р, у, Ô, <р - углы
сдвижения; \j/,, \j/2, \|/3 —углы полных сдвижений; 0 - угол максималь
ных оседаний; Р", у" —углы разрывов
няющими границу выработки с точками земной поверхности, где наклоны и растяжения не превышают величины 0,5 • 10-3. 1раничные углы используют также при построении целиков под глубокие вертикальные стволы.
Углы сдвижения (р, у, 6) являются одними из основных пара метров процесса сдвижения. Значения углов сдвижения исполь зуют при определении зоны опасного влияния в мульде сдвиже ния земной поверхности и границ целиков, оставляемых для охраны зданий и сооружений.
За границы зоны опасного влияния на земной поверхности принимаются участки, на которых наклон i = 4 • 10‘3, кривизна К = 0,2 • 10‘3 1/м, растяжение s = 2 • 10'3 (при среднем интервале между соседними реперами 15—20 м).
Чтобы определить значения углов сдвижения, необходимо соединить границы выработки с точками на земной поверхно сти, удовлетворяющими всем перечисленным условиям. Как и граничные углы, различают углы сдвижения, ограничивающие опасную зону мульды со стороны падения пласта р, у —со сторо ны восстания пласта, 5 - по простиранию пласта; углы сдвиже ния в наносах —ср. Следует отметить, что углы сдвижения и гра ничные углы имеют только технический смысл и их нельзя рас сматривать как углы наклона поверхностей, по которым проис ходит сдвижение пород.
Углы сдвижения определяются при полной подработке зем ной поверхности, которая характеризуется постоянством вели чины максимального оседания при увеличении размеров выра ботанного пространства. При пологом залегании пластов обра зуется плоское дно мульды, а мульда на разрезе имеет тарелкооб разную форму (см. рис. 1.3). Неполная подработка земной поверхности проявляется в виде мульды оседания с чашеобраз ным дном и изменении величины максимальных оседаний с уве личением размеров выработанного пространства.
От формы мульды сдвижения земной поверхности зависит характер распределения величин сдвижений и деформаций в главных ее сечениях. Степень подработки земной поверхности выражается через коэффициент подработанности п — отношение фактического размера выработанного пространства Д к мини мальному размеру Д0, при котором наступает полная подработка земной поверхности. Различают коэффициенты подработанно сти по падению (восстанию) — п1 и по простиранию пласта — п2’ П\ =Д 1/Д 01и и 2 =Д2/ Д 02.
При полной подработке значения коэффициентов « tH п2 равны или больше единицы. В последнем случае во всех расчетах значения этих коэффициентов принимаются равными единице.
Оценка степени подработанности земной поверхности на любом этапе процесса сдвижения является необходимым и важ ным моментом, позволяющим правильно и своевременно осу ществлять выбор мер по снижению вредного воздействия про цесса сдвижения на объекты, расположенные в зоне влияния подземных разработок.
Углы полных сдвижений (\у] - по падению, у 2 - по восста нию, \|/3 —по простиранию пласта) - внутренние относительно выработанного пространстве углы, образованные плоскостью угольного пласта и линией, соединяющей границы выработки с границами плоского дна мульды сдвижения. На практике углы полных сдвижений используются для определения в толще пород и на земной поверхности зоны полной подработки.
При отсутствии плоского дна в мульде сдвижения (неполная подработка) местоположение точки с максимальным оседанием земной поверхности определяется углом максимального оседания 0, который образовывается со стороны падения пласта горизон тальной линией и линией, соединяющей середину выработки с точкой максимального оседания (см. рис. 1.4).
В расчетах величин сдвижений в деформаций земной поверхности учитывается длина полумульды — расстояние в главном сечении на разрезе вкрест простирания (Lv Ь2) или по простиранию (Х3) между границей мульды и точкой пересечения с земной поверхностью линии, проведенной под углом макси мального оседания (при неполной подработке) или под углом полных сдвижений (при полной подработке). Участок плоского дна при расчетах в длину полумульды не включается.
Выемка угля под водными объектами (реки, каналы, водо емы, водоносные горизонты и т.д.) осуществляется с выполнени ем мер, обеспечивающих как допустимые водопритоки в горные выработки, так и охрану самих водных объектов от вредных последствий подработки. В пределах зоны опасного влияния подземных разработок на земной поверхности могут образовы ваться трещины, которые необходимо учитывать при определе нии зоны водопроводящих трещин под подрабатываемым вод
ным объектом или при оставлении предохранительного целика под ним. Внешние границы зоны трещин в мульде сдвижения оконтуриваются углами разрывов, под которыми понимают внешние относительно выработанного пространства углы, обра зованные горизонтальными линиями и линиями, соединяющи ми границу выработки с ближайшей к границе мульды сдвиже ния трещиной ф" и у" —на разрезе вкрест простирания и 6" —на разрезе по простиранию пласта).
Для своевременного принятия мер по охране подрабатывае мых объектов и установления возможности возведения сооруже ний на подработанных площадях необходимо знать особенности процесса сдвижения во времени. Сдвижение горных пород и земной поверхности в зоне влияния подземных разработок про текает неравномерно во времени и характеризуется общей про должительностью процесса сдвижения и периодом опасных деформаций.
Под общей продолжительностью процесса сдвижения пони мается период, в течение которого земная поверхность над выра ботанным пространством находится в стадии сдвижения. Общая продолжительность процесса сдвижения Т (мес.) от влияния отдельной очистной выработки определяется следующим обра зом:
—при подвигании очистного забоя по простиранию пласта:
T = kT ^(ctgd0+ctg^3); |
(1.9) |
—при подвигании очистного забоя по падению пласта:
r = v f |
c o s ^ +а) [ |
cosfio |
(1.10) |
sin\|/i |
sin(Po+a) |
- при подвигании очистного забоя по восстанию пласта:
cosvo |
[ cos(\|/2- a ) |
|
Т -кт-^т |
sin\|/2 ) |
( 1. 11) |
sm(y0-a ) |
где H — глубина залегания пласта под рассматриваемой точкой; а —угол падения пласта; Кт—коэффициент, зависящий от сред ней скорости подвигания очистного забоя С и средней глубины горных работ (Кт= 1,1-7-2,0).
Период опасных деформаций земной поверхности предста вляет собой период активной стадии процесса сдвижения, когда скорость оседаний превышает 30 мм в месяц для наклонных и крутопадающих пластов и 50 мм —для пологих пластов. Подра батываемые объекты претерпевают наиболее значительные деформации именно в этот период.
Период опасных деформаций (/) определяется в тех случаях, когда горные работы ведутся выше безопасной глубины разра ботки:
t = 0,65Т; при Я до 300 м; t = 0,55Т; при Н= 500 м.
За начало процесса сдвижения точки земной поверхности принимается дата, на которую оседание точки достигает 15 мм, за окончание процесса сдвижения принимается дата, после которой суммарные оседания на протяжении 6 месяцев не пре вышают 10 % от максимальных, но не более 30 мм.
За начало процесса сдвижения точки земной поверхности впереди движущегося забоя принимается дата, на которую рас стояние в плане от забоя до этой точки составляет t\ =HcpctgbQ, а за начало периода опасных деформаций—дата, на которую рас стояние в плане от забоя до точки составляет #2 = Hcpctgb.
При разработке свит пластов общая продолжительность процесса сдвижения определяется из выражения T = кТ0, где Г0 —время разработки всех пластов свиты в зоне влияния на рас сматриваемую точку.
Контрольные вопросы
1.Дайте определение мульды сдвижения земной поверхно сти.
2.Назовите вертикальные и горизонтальные деформации. За счет чего они образуются?
3.Перечислите угловые параметры процесса сдвижения. Определите практическое применение каждого из них.
4.Как определить степень подработанности земной поверх ности по форме мульды сдвижения?
5.В какой период процесса сдвижения происходят наиболее значимые деформации подрабатываемых объектов?
1.5. Факторы, влияющие на характер сдвижения горных пород и земной поверхности
На процесс сдвижения горных пород оказывают влияние природные и технологические факторы, определяющие параме тры сдвижения, размеры и местоположение зон деформаций в подрабатываемой толще пород и на земной поверхности. К числу природных (естественных) факторов относятся: геологи ческое строение толщи, физико-механические свойства пород, угол падения пород и глубина залегания пласта (залежи), текто ническая нарушенность месторождения, гидрогеологические условия, рельеф местности и т.д.
Технологические (искусственные) факторы, оказывающие влияние на характер сдвижения, создаются в процессе разработ ки месторождения и могут быть изменены. Особенно значима роль системы разработки. В одних случаях система разработки обеспечивает плавное сдвижение горных пород и земной поверх ности, в других —земная поверхность сдвигается о нарушением сплошности (провалы, террасы а т.д.) и, наконец, в третьих слу чаях процесс сдвижения пород не доходит до земной поверхно сти. Рассмотрим вначале характер влияния наиболее важных факторов.
Вынимаемая мощность пласта (залежи) — один из главных факторов, определяющих величины сдвижений и деформаций слоев пород и земной поверхности. С увеличением вынимаемой мощности возрастает высота зоны обрушения в подработанной толще пород, повышается вероятность образования на поверх ности земли провалов, уступов, трещин. Чем больше одновре менно вынимаемая мощность залежи, тем интенсивнее протека ет процесс сдвижения с созданием неблагоприятных условий для подрабатываемых зданий и сооружений.
Глубина горных разработок относится к числу основных природных факторов, определяющих размеры мульды сдвиже ния на земной поверхности, характер и степень ее деформиро вания. С увеличением глубины разработки сдвижения и деформации земной поверхности уменьшаются, процесс сдви жения протекает более плавно и общая продолжительность его увеличивается. Так, изменение глубины разработки со 100 до 1000 м вызывает увеличение продолжительности процесса сдвижения с 5 до 44 мес.
Физико-механические свойства, мощность и чередуемость слоев горных пород оказывают существенное влияние на все параметры и характер процесса сдвижения. По физико-механи ческим свойствам все породы С. Г. Авершин разделяет на четыре группы: I) твердые, плотные; 2) пластичные; 3) сыпучие; 4) плы вуны.
Породы первой группы, характерные для рудных месторож дений (граниты, кварциты и др.) и месторождений каменного угля (известняки, песчаники), обычно обрушаются значитель ными массами в короткий промежуток времени после подработ ки их на большой площади. Породы второй группы, например глины, глинистые сланцы, способствуют пластичному изгибу подработанных слоев и увеличению площади мульды сдвиже ния. Сдвижение пород третьей и четвертой групп принимает форму течения.
Чередуемость и мощность слоев пород в толще сказываются на проявлении процесса сдвижения на земной поверхности. Твердые породы непосредственной кровли залежи при обрушении не вызо вут провалов на земной поверхности, если выше залегают мощные слои пластичных пород, и, наоборот, крепкие породы, залегающие в непосредственной близости от земной поверхности, способству ют появлению на ней трещин. Слои крепких пород могут зависать и тогда процесс сдвижения не проявляется на земной поверхности. При сдвижении сыпучих пород на земной поверхности, как прави ло, возникают провалы, а породы четвертой группы способствуют выполаживанию граничных углов и углов сдвижения.
Угол падения залежи и покрывающих пород является одним из основных факторов, определяющих параметры и характер сдви жения горных пород и земной поверхности. В «Правилах охраны сооружений ...» приведены значения углов сдвижения в зависи мости от угла падения пласта (залежи).
Роль угла падения отрабатываемой залежи далеко не ограни чивается его влиянием на углы сдвижения. Характер процесса сдвижения пород и земной поверхности изменяется при разных углах падения. При крутом падении пластов возникают дефор мации сдвига, получают развитие горизонтальные сдвижения, превышающие по величине вертикальные, а земная поверхность деформируется с разрывом сплошности (провалы, террасы, тре щины); при наклонном и крутом падении пластов кривые сдви жений и деформаций асимметричны относительно границ и центра очистной выработки и смещены в направлении падения. В случае отработки пласта горизонтального залегания образует ся мульда сдвижения, симметричная относительно границ выра ботки с центром над серединой выработанного пространства.
Тектонические нарушения являются плоскостями ослабле ния, по которым происходит смещение отдельных слоев пород, вызывая изменения значений углов сдвижения и граничных углов. На земной поверхности в районе выхода дизъюнктивных нарушений могут образовываться трещины и уступы.
Рельеф местности и гидрогеологические условия сказываются на характере сдвижения земной поверхности, особенно при подработке крутых склонов в горной местности, где, как прави ло, возникают оползневые явления.
Наличие и мощность наносов. Значительная (более 5 м) мощ ность наносов оказывает благоприятное влияние на характер сдвижения земной поверхности, сглаживая неравномерности сдвижений, деформаций и уменьшая вероятность появления трещин. Граничные углы и углы сдвижения в наносах выполаживаются.
Способ управления горным давлением является основным технологическим фактором, определяющим величины и харак