книги / Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках
..pdfПодставив значения х и у в это уравнение и решив его отно сительно t', получим:
(q sin V — а ) 2/а2+ q2 cos2 t'jb2= 1 ;
_ |
2ab- + Y 4а‘Ь* — 4q-a- (b- — а'-) |
Smr ~ ' |
2q {b n- — а?) |
Обозначим деформацию эллипса Ь/а через d и после простых преобразований получим:
sin t' = |
— |
|
( I - |
|
(2.13) |
||
|
<7(1 ~&)la |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
В формуле (2.13) знак (+ ) |
перед квадратным |
корнем опус |
|||||
кается, так как значение sin^' не может быть больше 1. |
0 = 9 0 °— |
||||||
С учетом наклона |
большой |
оси эллипса |
на |
угол |
|||
—a cos а направление |
вектора |
сдвижения |
в |
полумульде. соответ |
|||
ственно по восстанию и падению пласта: |
|
|
|
|
|||
|
^& =^'+acosa; |
|
|
|
(2.14) |
||
|
tn= t '—a cos a. |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|||
Расчет векторов сдвижений |
в краевой |
части. мульды |
сдвиже |
||||
ния выполняется с учетом |
зоны полной подработки. По условию |
||||||
(Н = Ь ), а в продольном |
главном сечении |
(Н = а ) определяется |
граничная точка С. В этом случае зона полной подработки выде ляется треугольником АСВ (рис. 2.8). В границах этого треуголь ника имеет место плоское дно мульды сдвижения, а векторы сдви жения направлены под углом 0 к пласту. Краевая часть мульды
сдвижения рассчитывается |
относительно |
смещенных центров |
0\ |
и 0 2 согласно формулам |
(2.12) —(2.14) |
и схеме, показанной |
на |
рис. 2.9.
Расчет векторов сдвижений земной поверхности в условиях не полной подработки (Н ^Ь) выполняется в следующей последова тельности.
1.По прочностным показателям основных литотипов в массиве
иих процентному содержанию определяют значение параметра п.
2.Рассчитывают угол максимального сдвижения 0 и макси
мальный вектор сдвижения Umax по формуле (2.11).
3. Величину вектора сдвижения в любой заданной точке рас считывают по формуле (2.12) с учетом коэффициента Æo (2.25), а угол его наклона определяют по формулам (2.13), (2.14).
Вертикальную и горизонтальную составляющие вектора сдви жения определяют графическим разложением на составляющие. Вертикальную i и горизонтальную е деформации на участке ме жду двумя заданными точками определяют по разнице соответст вующих составляющих, отнесенной к длине интервала между точками,
е = ( I ÎI— Ю / / 1- 2 ; 1*1- 2 = (г)2— тц) А —2-
Эллипс сдвижения в полярной системе координат может быть описан уравнением
<7о =<7maxSin4n0/, |
(2.15) |
где q6— относительная величина сдвижения в точке; qm^ — мак
симальная относительная величина сдвижения на данном гори зонте, определяется из выражения (2.1); 0:-—.полярный угол, от-
Рис. 2.8. Схема к определению зоны полной подработки и расчет векторов сдви жений в краевой части мульды сдвижения вкрест простирания
Рис. 2.9. Схема к расчету элементов сдвижения в подработанной зоне
считываемый от горизонтальной оси; п — показатель структуры и крепости массива.
При Ап— \ уравнение (2.15) определяет окружность радиуса 0,5<7тах и соответствует слабым породам типа глинистых аргил литов. Крепким породам типа песчаников соответствует значение 4п= 3 - т-4.
Для построения векторного поля сдвижений *в массиве необ ходимо определить направление вектора сдвижения в любой точ
ке. Инструментальные наблюдения |
показывают, |
что в |
случае |
|
Н > Ь векторы конечных сдвижений |
поверхностй |
ориентированы |
||
практически к центру выработки. При |
наблюдается |
откло |
нение векторов сдвижения точек в сторону нормали к пласту. За висимость между направлением полного вектора сдвижения точек и отношением Н/b установлена следующим образом.
Выработка шириной b разбивалась на k элементарных объе мов. Влияние каждого элемента Дb на величину сдвижения задан ной точки массива определялось по формуле
=1- + ( Hjàbi)n sin<H а*’
где а,-— угол, под которым видна рассматриваемая точка из цент ра элемента Д6,- (рис. 2.10).
Вертикальная rj и горизонтальная | составляющие элементар ного вектора сдвижения точки соответственно равны:
т]/=Д<7,- sin ос,-; |/=Д?,- cos а/.
Полная величина составляющих и\ и g в точке определится сум мированием:
Рис. 2.10'. Результаты расчета величин сдвижении U и поля векторов в массиве
(п =2; 6= 100 м; Я=200 м; т = 1 м)
Контрольные расчеты показали, что величина полного оседа ния, точки и ее горизонтальное сдвижение существенно зависят от числа элементарных интервалов k, в то время как отношение ц/% остается постоянным. Поэтому расчеты по формулам (2.16) были использованы лишь для определения угла наклона 0 вектора пол ных сдвижений точки к горизонту:
|
0 = arctg-^- . |
(2.17) |
Расчет |
векторного поля сдвижений в подработанном массиве |
|
сводится к следующему. |
максимального |
|
1. Для |
горизонта //, рассчитывают величину |
Значения ÿmax-
2. Величину сдвижения заданной точки на горизонте Я,- опре деляют из выражения (2.15), в котором угол наклона вектора 0 находят из выражения (£.17) с учетом расстояния L от точки мак-
симального сдвижения. На рис. 2.11 показаны изолинии сдвиже ний и поле векторов, рассчитанное по данному методу.
Поле векторов позволяет оценить величину и характер рас пределения деформаций по любому направлению. Величину и ха рактер распределения горизонтальных деформаций можно рас считать и аналитически, принимая во внимание, что горизонталь ная деформация является производной от горизонтальных сдви жений.
Если величина сдвижения в заданной точке определяется из выражения
qi= qmaxsin4"0, ТО ^=^maxSin4n0COS0.
Принимая во внимание, что в координатах х, у
Çmах |
|
1 |
- , |
sin о = |
\ Х - + |
COS 6 = |
Vx> + у2 |
|
|
1+ (Уlb) |
|
у- |
|||||
имеем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
__ |
1 |
|
х у *п |
|
(2.18) |
|
|
|
|
1 + (уlb)п |
4Й+Г |
|
||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
(•*-’ + У2) 2 |
|
|
|
Горизонтальная деформация е .х = д Ц д х , |
|
|
||||||
|
|
|
__ |
1 |
у 1П(у2 — 4пх-) |
|
(2.19) |
|
|
|
вх |
|
1+ (yjb)n |
﫱F |
|
||
|
|
|
|
|
||||
На графиках рис. 2.11 показаны результаты контрольных рас |
||||||||
четов согласно этому выражению для условий: |
Н— 100 |
м, Ь== |
||||||
= 100 м; т = 1 |
м, где толща |
разбита на пять равных по мощно |
||||||
сти участков-слоев, |
различных по крепости (/х=1,5-^5). |
показа |
||||||
Результаты |
расчета |
деформаций |
получились |
весьма |
тельными. Точка нулевых деформаций в условиях крепких пород (п=3-=-5) располагается под выработанным пространством, в ус ловиях слабых пород — над целиком. Максимальные растягиваю щие деформации имеют место над призабойной частью целика. Характер затухания деформаций по горизонту и с удалением от пласта определяется структурой массива и крепостью пород.
При расчете и построении графиков распределения горизон тальных деформаций следует учитывать зону полной подработки, в пределах которой они равны нулю. Зона полной подработки оп ределяется треугольником (см. рис. 2.8) по условию Н = Ь , По строение эпюры распределения деформаций по заданному гори зонту начинается от пересечения его с границей зоны полной под работки. Эта точка принимается за начало координаты х. Верти кальная составляющая сдвижения в заданной точке
%=^maxSin4,,0sin0,
а в координатах |
х, |
у |
при условии |
|
|
|
|||
|
|
|
|
1 |
|
. л |
у |
|
|
Qmax |
|
1+ |
(>'/*)" |
’ |
Sin |
V # |
+ ÿ2 ’ |
|
|
|
''Imax |
— |
j _ j . ( y j b ) n |
3- |
‘ |
(2.20) |
|||
|
|
|
|
|
|
( Х - + У 2? |
|
|
|
Деформация |
по |
вертикальной |
оси |
(ey=dr\ldy) |
имеет выра |
||||
жение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
с |
|
1 |
|
|
> |
4n+3 |
|
Х ~ |
|
“ У |
1 _j_ (у/&)« |
|
|
||||||
|
|
|
|
(X- -f Я) 2 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
- у2) ) |
|
|
|
|
|
|
|
п (y jb)n (Xа + у |
|
(2 .21) |
|||
|
|
|
|
[1 + |
(У1Ь) п] |
j. |
|
||
Деформации |
и еу в выражениях |
(2.19), |
(2.21) |
получены для |
относительной величины максимального сдвижения q (на 1 м вы нимаемой мощности). Для определения величины деформации с
учетом вынимаемой мощности расчетные значения ех и |
умно |
жают на значение мощности пласта т в метрах. |
|
Результаты расчета деформаций еу и е* и их распределение по вертикальным сечениям в призабойной зоне показывают, что не посредственно над пластом имеют место значительные деформа ции сжатия. С удалением от пласта они уменьшаются и на рас стоянии у > Ь имеют место вертикальные деформации растяжения.
Горизонтальные деформации над призабойной частью пласта однозначны (растягивающие). С удалением от пласта они увели чиваются, достигают максимума, а затем уменьшаются.
При |
разработке |
крутых пластов |
на глубоких горизонтах |
(# > 3 0 0 |
м) как с обрушением, так и с закладкой процесс сдви |
||
жения горных пород |
развивается по |
закрытой схеме. Мульда |
рдвижения имеет довольно плавный двусторонний вид, провальная воронка отсутствует, процесс сдвижения в массиве над вырабо танным пространством показывают в виде концентрических изо линий сводчатой формы.
Особенности расчета сдвижений при крутом и наклонном за легании пластов заключаются в ориентации расчетной схемы по
углу максимального сдвижения |
0. |
|
Основой расчета является функция (2.12), из которой |
|
|
?е== |
/ Нь \ п • |
(2.22) |
1 + |
( " W / |
|
Эта зависимость позволяет рассчитать величинысдвижения в главном поперечном сечении подработанного массива при усло вии, что продольный размер очистной выработки а больше ее ши рины b не менее чем в 3 раза. В противном случае расчет сдви-
жений ведется исходя из эквивалентного пролета выработки Ls, который определяется из выражения
L9= |
ablV а 2 -+- b2. |
|
Расчетная формула (2.22) в этом случае примет вид: |
|
|
?о = |
-----Г "и" \п |
(2-23) |
|
1 + ( W ) |
|
Рис. 2.12. Поле векторов и изолинии сдвижений при разработке крутых пластов:
а __ распределение оседаний и горизонтальных сдвижений при вертикальном залегании; б — то же, при а=45°
Из этой функции определяется расстояние Но до изолинии с заданным значением qi под углом 0; от центра выработки:
Но — koL9 У \fq — 1. |
|
(2.24) |
|
Коэффициент k0 в этом выражении определяет характер изо |
|||
линии и рассчитывается по формуле |
|
|
|
1+ sin 20,(1 -£>-’) |
|
(2.25) |
|
1— sin3 0/ (1 — D-) |
' |
||
|
где 0; — угол наклона расчетного луча Я,- к малой оси полуэллипса изолинии; D — деформации изолиний эллипса.
При анализе лабораторных и аналитических исследований ус тановлена зависимость между значением изолинии q и ее дефор мацией D. Эта зависимость имеет вид, показанный на рис. 2.1. По этому графику определяют деформацию D изолинии по заданно му значению q. Положение данной изолинии в массиве определя
ют из выражения |
|
Но = kob V \ j q - \ . |
(2.26) |
Угол наклона расчетного луча Hi отсчитывают от линии, пер пендикулярной к линии максимального сдвижения 0. Угол накло
на вектора сдвижения в заданной точке изолинии qi определяют по формулам (2.13), (2.14). Значение q в формуле (2.13) являет ся относительной величиной максимального сдвижения на дан ном горизонте и определяется по выражению (2.1). Причем за Я берется расстояние от центра очистной выработки до данного го ризонта по линии максимального сдвижения 0.
На рис. 2.12 по результатам расчета показано поле векторов сдвижения в подработанном массиве.
Разложив векторы сдвижения на составляющие, можно опре делить вертикальную и горизонтальную деформации на заданном интервале.
Расчет изолиний в продольном главном сечении выполняется с учетом зоны полной подработки. По условию (h = b ) определяется граничная точка С. В этом случае зона полной подработки выде ляется треугольником АСЕ (см. рис. 2.8). В' границах этого тре угольника имеет место плоское дно мульды сдвижения, а векто ры сдвижения направлены под углом 0 к пласту. Краевая часть массива рассчитывается по вышеизложенной методике относитель но смещенного центра, расстояние которого от целика равно Я/2.
3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СДВИЖЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД И ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ В ЗАПАДНОМ ДОНБАССЕ
3.1.ГОРНОТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ЗАПАДНОГО ДОНБАССА
ИНАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИИ СДВИЖЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
Новый район Донецкого бассейна — Западный Донбасс, рас полагается в основном в Днепропетровской области на террито рии примерно,от г. Красноармейска (Донецкая обл.) до г. Полта вы (около 300 км) и от г. Днепропетровска до г. Лозовой (около 50—100 км). Запасы угля в этом районе оцениваются десятками миллиардов тонн. Карбоновые породы несколько слабее пород ос новного Донбасса, покрываются наносами мощностью от 50—110 м на юге и до 300 м на севере. Породы наносов состоят в основном из аргиллитов. В них заключены мощные (до 40—60 м) плывуны (обводненные пески), зафиксировано до 16 водных горизонтов.
Мощность угольных пластов |
колеблется в пределах 0,75—1,10 м |
с углами падения 0—8° На |
разведанной части района в первой |
очереди освоения намечено к разработке около 40 шахтных полей. Каждая шахта будет разрабатывать от 2 до 12 пластов.
В настоящее время в Западном Донбассе находится в эксплуа тации 10 шахт, восемь из которых вошли в строй действующих за период 1963—1978 гг., имеют глубину разработки в пределах 100— 250 м. Две шахты («Героев Космоса» и «Ленинского Комсомола Украины»), сданные в эксплуатацию в 1978—1980 гг., будут вести разработку угля на глубинах до 500—600 м.
Шахтные поля обычно вскрыты двумя центрально сдвоенными вертикальными стволами. Система разработки столбовая, выем ка угля производится комбайнами, скорость подвигания очистных забоев составляет от 40 до 110 м/мес. Управление кровлей осуще ствляется способом полного обрушения.
Наличие в мощных наносах плывунных пород, которые распо ложены непосредственно на поверхности карбоновых отложений при их пологом залегании, вызвало оставление весьма больших запасов угля в охранных целиках под плывунами.
Новый, бурно развивающийся угольный район — Западный Донбасс требует решения комплекса горнотехнических задач на современном уровне развития науки и техники. Особо присталь ного внимания заслуживает вопрос рационального и правильного использования угля и одновременно охраны природы.
Для решения этих весьма важных вопросов в первую очередь необходимо знать характер процесса сдвижения всей толщи гор ных пород и земной поверхности. Так как геологические, гидро геологические и горнотехнические условия разработки района спе цифичны и отличаются от условий основного Донбасса, то нельзя было использовать результаты изученности и основные парамет ры процесса сдвижения горных пород старого Донбасса.
Одновременно с вводом в действие первых шахт бассейна ка федрой маркшейдерского дела Днепропетровского горного инсти
тута с 1963 г. начаты исследования процесса |
сдвижения |
гор |
||
ных пород |
и земной |
поверхности в Западном |
Донбассе. |
-Были |
намечены |
следующие |
основные направления в |
этих исследова |
ниях.
1. Получение основных параметров мульд сдвижения, необхо димых для решения вопросов охраны сооружений в Западном Донбассе.
2.Составление методики расчета сдвижений и деформаций гор ных пород и земной поверхности.
3.Изучение сдвижения пород в массиве для определения без опасной глубины ведения очистных работ под плывунами.
4.Прогнозирование результатов подработки пойм рек в Запад
ном Донбассе.
5. Исследование динамики процесса сдвижения.
Для правильной постановки методики исследования процесса сдвижения необходимо детальное изучение условий состояния массива горных пород и угольных пластов. Ввиду того что горно геологическая и гидрогеологическая обстановка даже в условиях одного шахтного поля изменяется, была проведена геометризация первоочередных 14 шахтных полей Западного Донбасса способом циклографических проекций, предложенных А. И. Осецким. В ре зультате геометризации составлены специальные наглядные гор но-геометрические планы и графики по каждому шахтному полю, показывающие изменчивость пород в массиве, расположение водо носных горизонтов, прочностные характеристики горных пород, по верхность карбоновых отложений, расположение на них плывунов
и т. п. Материал этой геометризации позволил значительно облег чить изучение процесса сдвижения и решение ряда горнотехниче ских задач, связанных со сдвижением массива горных пород.
Изучение закономерностей процесса сдвижения проводилось с помощью инструментальных маркшейдерских наблюдений на дол говременных и специальных наблюдательных станциях. На шах тах Западного Донбасса с 1963 по 1977 г. заложено 19 наблюда тельных станций, состоящих из 53 профильных линий общей про тяженностью более 30 км. Всего на станциях заложено 2820 ра бочих реперов, расстояние между которыми определялось в зави симости от условий и целей наблюдений и принималось равным 10—15 м.
Для изучения взаимосвязи подрабатываемых сооружений и грунта, а также для комплексного изучения толщи горных пород и земной поверхности на некоторых шахтах были заложены че тыре типа специальных наблюдательных станций.
Первый тип наблюдательных станций состоял из стенных и грунтовых реперов, заложенных в стенах и вокруг подрабатывае мых зданий в пос. Терновка. Расстояние между стенными репе рами 4—6 м; на каждой стене сооружения закладывалось не ме нее трех реперов.
Второй тип станции был предназначен для наблюдений за сдвижением земной поверхности и железнодорожного пути МПС.
Третий тип комплексных станций состоял из глубинных репе ров, заложенных в пробуренные с поверхности вертикальные сква жины на долговременных станциях (№ 10, 12 и 13), и профиль ных линий, заложенных в специально пройденных горных выра ботках. В каждую скважину закладывалось от четырех до шести глубинных реперов с проволочной связью репера и замерной стан цией на поверхности. Конструкция реперов была принята по Инст рукции [16], за исключением глубинных реперов, которые были разработаны кафедрой маркшейдерского дела ДГИ для слабых обводненных пород Западного Донбасса. Для обеспечения надеж ного закрепления репера в скважине и хорошего контакта с боко выми породами репер (полая труба) армировался четырьмя ши пами и прутьями из углеродистой пружинной стали. Доставка ре перов на место закладки в скважину осуществлялась буровым станком с помощью специального приспособления — толкателя.
Четвертый тип специальной станции предназначался для изу чения развития высоты зоны распространения трещиноватости, вызванной процессом сдвижения горного массива, с целью реше ния вопроса об оптимальной безопасной глубине выемки уголь ных пластов под плывунами. Каждая станция представляла со бой куст из двух-трех вертикальных скважин, пробуренных с по верхности, забои которых останавливался от кровли предполагае мого к разработке угольного пласта на расстояниях, равных 10-, 15-, 20-кратным мощностям пласта. При запуске воды с люмино форами различного свечения в эти скважины, отборе ежечасных проб в шахте на основе последующего люминесцентного анализа